Der Prozess des Tunnelns ist einer der grundlegendsten Vorgänge in der Quantenmechanik, bei dem ein Wellenpaket mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch eine energetisch unüberwindbare Barriere gelangen kann.
Auf atomarer Ebene spielen Tunneling-Effekte eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, wie zum Beispiel die katalytische Beschleunigung von Enzymen, spontane Mutationen in der DNA und die Auslösung von Duftsignal-Kaskaden.
Die fotoelektronische Tunnelung ist ein wesentlicher Prozess in lichtinduzierten chemischen Reaktionen, Ladungs- und Energietransfer sowie Strahlungsemission. Die Größe optoelektronischer Systeme und anderer Systeme hat den subnanometrischen Atommaßstab erreicht, was die quantenmechanischen Tunneling-Effekte zwischen verschiedenen Kanälen erheblich verstärkt.
Die Echtzeitüberwachung der dynamischen elektronischen Tunnelungseffekte in komplexen Molekülen ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung für die Entwicklung von Tunneltransistoren und ultrakurzen optoelektronischen Geräten. Die Wirkung benachbarter Atome auf die elektronische Tunnelungsdynamik in komplexen Molekülen ist eines der zentralen wissenschaftlichen Probleme in den Bereichen Quantenphysik, Quantenchemie, Nanoelektronik usw.
In einem Artikel, der in der Zeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht wurde, hat ein Team von Wissenschaftlern der Hainan-Universität und der Normalen Universität in China ein Van-der-Waals-Ar-Kr+-Komplex als Prototypensystem mit einem interatomaren Abstand von 0,39 nm entworfen, um die elektronische Tunnelung durch ein benachbartes Atom in einem subnanometrischen System zu verfolgen.
In Kombination mit der verbesserten Coulomb-Korrektur-Methode (ICCSFA) des Teams, die die Coulomb-Wechselwirkung im Potential während der Tunnelung berücksichtigt, und der Überwachung der Verteilung des Quermomentums der Fotoelektronen zur Verfolgung der Tunnelungsdynamik wurde entdeckt, dass es zwei Effekte der starken und schwachen elektronischen Tunnelung durch das benachbarte Atom gibt.
Diese Entdeckung offenbart die bedeutende Rolle benachbarter Atome bei der elektronischen Tunnelung in komplexen subnanometrischen Systemen. Sie eröffnet einen neuen Weg zu einem tieferen Verständnis der Schlüsselrolle des Coulomb-Effekts während der elektronischen Tunnelung, der Erzeugung von höheren Festkörperharmonischen und legt eine solide Grundlage für die Erforschung und Kontrolle der Dynamik der Tunnelung in komplexen Biomolekülen.
Weitere Informationen:
Ming Zhu et al, Tunnelling of electrons via the neighboring atom, Light: Science & Applications (2024). DOI: 10.1038/s41377-023-01373-2
Quelle:
Chinesische Akademie der Wissenschaften
FAQ:
1. Was ist Tunneling in der Quantenphysik?
Tunneling ist ein fundamentaler Prozess in der Quantenmechanik, bei dem ein Wellenpaket durch eine Energiebarriere gelangen kann, die klassisch undurchdringbar wäre. Es handelt sich um ein Phänomen, bei dem ein Teilchen eine Chance hat, über die Barriere zu „springen“, obwohl es nicht genügend Energie hat, um sie zu überwinden.
2. Welche Bedeutung hat Tunneling in der Molekularbiologie?
Quanten-Tunneling spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, wie zum Beispiel die katalytische Beschleunigung von Enzymen, spontane Mutationen in der DNA und die Auslösung von Duftsignal-Kaskaden.
3. Was ist Fotoelektronen-Tunneling?
Fotoelektronen-Tunneling ist ein wesentlicher Prozess in lichtinduzierten chemischen Reaktionen, bei dem Elektronen unter dem Einfluss von Licht eine Energiebarriere durchdringen.
4. Warum ist die Überwachung der elektronischen Tunnelung wissenschaftlich bedeutsam?
Die Echtzeitüberwachung der dynamischen elektronischen Tunnelungseffekte in komplexen Molekülen ist von großer wissenschaftlicher Bedeutung für die Entwicklung von Tunneltransistoren und ultrakurzen optoelektronischen Geräten. Es ist entscheidend, um die Dynamik der Tunnelung besser zu verstehen und ihre Auswirkungen auf verschiedene Systeme zu untersuchen.
5. Welches Prototypensystem wurde in der Forschung verwendet?
In dem veröffentlichten Artikel haben die Wissenschaftler der Hainan-Universität und der Normalen Universität in China einen Van-der-Waals-Ar-Kr+-Komplex als Prototypensystem auf subnanometrischer Skala verwendet.
6. Welche Entdeckung wurde gemacht?
Die Studie hat die Existenz von zwei Effekten aufgedeckt: starke und schwache elektronische Tunnelung durch das benachbarte Atom. Diese Entdeckung offenbart die bedeutende Rolle benachbarter Atome bei der elektronischen Tunnelung in komplexen subnanometrischen Systemen.
7. Welche weiteren Auswirkungen hat diese Entdeckung?
Diese Entdeckung eröffnet einen neuen Weg zu einem tieferen Verständnis der Schlüsselrolle des Coulomb-Effekts während der elektronischen Tunnelung und der Erzeugung von höheren Festkörperharmonischen. Sie bietet auch eine solide Grundlage für weitere Forschungen zur Untersuchung und Kontrolle der Dynamik der Tunnelung in komplexen Biomolekülen.
Verwandte Links:
– Light: Science & Applications (Quelle des Artikels)