化学におけるトンネル効果の予測は非常に困難である。3つ以上の粒子による化学反応を量子力学的に正確に記述することは難しく、4つ以上の粒子ではほとんど不可能である。そのため、科学者らはこれらの反応を古典物理学でシミュレートする事を強いられ、量子効果を無視しなければならなかった。だがその場合、正確な値が得られないという問題が生じる。だが、現象のより正確な理解のためには、量子力学的に記述が出来、非常に精密な測定が可能なことが必要と考えられていた。

今回、オーストリア・インスブルック大学イオン物理学・応用物理学部Roland Wester氏の研究チームは、重水素イオンと水素分子が量子トンネル効果によって結合する瞬間を測定する事に成功した事を報告している。

「15年前、アメリカの学会で同僚と話したときに、このアイデアが浮かびました」とWester氏は振り返る。「量子力学的なトンネル効果を、非常に単純な反応で追跡したいと考えたのです」

量子トンネル効果

トンネル効果とは、通常では乗り越えられないような障害物を粒子が通過できるように見える、ミクロの世界で見られる奇妙な現象である。

古典物理の世界では、物質の運動はポテンシャル障壁と呼ばれる壁に入射すると、衝突して完全に遮られる。 しかし量子力学的に記述できる原始レベルのミクロの世界では、原子や電子の持つエネルギーが不確定であるため、ポテンシャル障壁よりもエネルギーが大きくなり、結果としてポテンシャル障壁を透過してしまうことがある。 このような性質がトンネル効果と呼ばれている。

化学では、原子同士や既存の分子と結合する際に必要なエネルギーがこのポテンシャル障壁となる。

しかし理論的には、極めて稀なケースとして、近接した原子がこのエネルギーの障壁を「トンネル」状に通り抜け、何の努力もなしに結合することが可能であるのだ。

量子波は、電子、光子、さらには原子のグループ全体のような物体の振る舞いを駆動する幽霊であり、観測の前にその存在をぼかし、特定の正確な場所ではなく、可能な位置の連続体を占めているのである。

分子、猫、銀河などの大きな物体では、このぼやけは大したことはない。しかし、個々の素粒子にズームインすると、可能性の幅が広がり、さまざまな量子波の位置状態が重なり合わざるを得なくなる。

そうすると、粒子が本来存在しない場所に現れる可能性がわずかに出てくる。つまり、本来なら大きな力が必要な場所にトンネルを掘って入り込むことができるのだ。

電子は、化学反応の結合領域で、熱や圧力をかけずに隣接する原子や分子を結合させることができる。

分子の構築や再配列において量子トンネルが果たす役割を理解することは、星の中の水素や地球上の核融合炉など、核反応におけるエネルギー放出の計算に重要な影響を与える可能性がある。

原子を冷却することでトンネル効果の機会を増やす

トンネル効果によって反応が起こりにくくなるため、その実験的な観測は非常に困難だった。だが、何度かの試行の後、Wester氏らはこの観測を始めて行うことに成功したという。

Wester氏の研究チームは、宇宙で最も単純な元素である水素を実験に選んだ。水素の同位体である重水素をイオントラップに導入し、静止に近い温度まで冷却した後、水素ガスで満たした。熱がなければ、重水素イオンは水素分子を原子の再配列に追い込むのに必要なエネルギーをはるかに持ちにくくなる。しかし、重水素イオンは、粒子同士を静かに近づけ、トンネル効果で結合させる時間をより多く与えてくれるのだ。

これはトンネル効果によるものだ。「量子力学では、粒子の量子力学的波動特性によってエネルギーの障壁を突破することができ、反応が起こります」と、筆頭著者であるインスブルック大学の実験物理学者Robert Wild氏は語っている。「私たちの実験では、トラップ内で起こりうる反応を約15分与え、生成された水素イオンの量を測定します。その数から、どれくらいの頻度で反応が起こったかを推測することができます」

この数字は、1立方センチメートルあたり1秒間に5×10-20回の反応が起きていることになり、約1000億回の衝突に1回のトンネル現象が起きていることになる。つまり、それほど多くはないのだ。2018年、理論物理学者たちは、この系では量子トンネルが1000億回に1回の衝突で起こるだけだと計算していた。これは、今回インスブルックで測定された結果と非常によく一致し、他の予測にも使えるベンチマークが確認されたことになる。

トンネル現象は様々な核反応や化学反応においてかなり重要な役割を果たしており、その多くは冷たい宇宙の奥深くで起こる可能性があるため、その要因を正確に把握することは、予測の基礎となるより強固な根拠となるだろう。

論文

• Nature: Tunnelling measured in a very slow ion–molecule reaction

参考文献

• University of Innsbruck: Quantum chemistry: Molecules caught tunneling

研究の要旨

量子トンネル反応は、気相反応、表面拡散、液相反応など、古典的な反応経路がエネルギー的に禁じられる化学において重要な役割を担っている。一般に、このようなトンネル反応は、量子ダイナミクスの次元が高いため、理論的に計算することが困難であり、また、実験的に同定することも非常に困難である。しかし、水素系では、正確な第一原理計算が可能である。この方法で、水素分子と重水素アニオンの気相プロトン移動トンネル反応（H₂ + D⁻ → H⁻ + HD）の速度が計算されているが、これまで実験による検証はなされていなかった。ここでは、極低温22極イオントラップを用いて行った反応速度の高感度測定を紹介する。その結果、(5.2 ± 1.6) × 10⁻²⁰ cm³ s⁻¹という非常に低い反応速度定数を観測した。この測定値は量子トンネル計算と一致し、分子理論のベンチマークとなり、基本的な衝突過程の理解を進めることができる。高H₂濃度において観測された線形スケーリングからの逸脱は、これまで観測されていなかった高周波イオントラップにおける加熱ダイナミクスに起因するものであることが判明した。