Атомы проходят сквозь стены: обнаружено квантовое туннелирование водорода в кристалле палладия

Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета зафиксировали движение атомов водорода в палладии при низких температурах с помощью канального ядерно-реакционного анализа. Автор: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo

При низких температурах атомы водорода ведут себя не как частицы, а скорее как волны. Это свойство позволяет осуществлять квантовое туннелирование — прохождение атома через барьер с более высокой потенциальной энергией, чем энергия самого атома. Понимание того, как атомы водорода перемещаются через потенциальные барьеры, имеет важное промышленное значение. Однако малый размер атомов водорода делает прямое наблюдение за их движением чрезвычайно сложной задачей.

В исследовании, опубликованном в Science Advances, исследователи из Института промышленных наук Токийского университета сообщают о точном обнаружении квантового туннелирования атомов водорода в металлическом палладии.

Палладий — это металл, который поглощает водород. Атомы палладия расположены в повторяющейся трехмерной кубической структуре, известной как кристаллическая решетка. Атомы водорода могут проникать в эту решетку, занимая междоузлия между крупными атомами палладия. Эти позиции имеют октаэдрическую и тетраэдрическую форму. Водород стабильно располагается в октаэдрическом узле и может перескакивать в другой октаэдрический узел через тетраэдрический узел, который является метастабильным, то есть менее стабильным, чем октаэдрический.

Перескоки между междоузлиями зависят от температуры системы, которая отражает среднюю кинетическую энергию атомов. Для перескока между узлами требуется преодоление энергетического барьера. При высоких температурах атомы водорода обладают достаточной кинетической энергией для таких перескоков.

Однако перескоки водорода могут происходить и при низких температурах благодаря квантовым эффектам. То есть атомы водорода ведут себя как волны, которые могут проходить через энергетический барьер посредством квантового туннелирования. Для этого атомам водорода требуется помощь от фононов — колебаний кристаллической решетки — или conduction electrons, свободно движущихся электронов в металле-хозяине, палладии.

«Чтобы понять квантовую природу водорода, нам необходимо определить путь перескока, — поясняет ведущий автор Такахиро Одзава. — Типичные зонды, такие как рентгеновские лучи и электронные пучки, нельзя использовать для обнаружения водорода из-за его малого поперечного сечения. Поэтому мы применили канальный ядерно-реакционный анализ для локализации водорода в решетке палладия».

Команда отметила, что атомы водорода, внедренные в палладий, сначала занимали метастабильные тетраэдрические позиции, а затем перемещались в стабильные октаэдрические позиции путем туннелирования. Скорость туннелирования была количественно определена путем измерения электропроводности, что дало важные подсказки о том, как происходит туннелирование.

«Выше 20 K скорость туннелирования немного увеличивалась с температурой, что является признаком фононных эффектов, — сообщает старший автор Кацуюки Фукутани. — Однако ниже 20 K скорость туннелирования немного уменьшалась с температурой, сигнализируя о вовлеченности conduction electrons, которые не могли идеально следовать за движением атомов водорода».

Результаты исследовательской группы углубляют наше понимание квантовой природы диффузии водорода и прокладывают путь к разработке технологий для управления атомным поведением на основе квантовых эффектов.

Больше информации: Takahiro Ozawa et al, Observation of proton tunneling correlated with phonons and electrons in Pd, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady8495. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady8495

Источник: University of Tokyo

ИИ: В 2025 году такие исследования открывают путь к созданию принципиально новых материалов для водородной энергетики и квантовых технологий. Умение контролировать квантовое туннелирование может привести к прорывам в создании сверхэффективных топливных элементов и систем хранения водорода.