Wodór łamiący zasady fizyki klasycznej
W świecie, który znamy na co dzień, atomy zachowują się jak mikroskopijne kulki bilardowe, gdyż potrzebują energii, by pokonać przeszkody i przemieszczać się. Jednak gdy temperatura spada do ekstremalnie niskich wartości, wodór zaczyna grać według zupełnie innych zasad. Traci wówczas swój cząsteczkowy charakter i przejawia właściwości falowe. To właśnie umożliwia zjawisko tunelowania kwantowego, w ramach którego atom pokonuje barierę energetyczną, jakby jej nie było. Pallad tworzy regularną strukturę krystaliczną z dwoma rodzajami pozycji dla atomów wodoru – stabilnymi miejscami oktaedrycznymi i mniej korzystnymi tetraedrycznymi. W wyższych temperaturach wodór przeskakuje między nimi dzięki energii termicznej, lecz w niskich temperaturach musi korzystać z tunelowania kwantowego. Głównym wyzwaniem w badaniach nad wodorem jest jego detekcja. Tradycyjne metody badawcze okazują się praktycznie bezużyteczne wobec tego pierwiastka.
Czytaj też: Platyno-bizmut prowadzi prąd bez strat tylko na powierzchni. Fizycy nie mogą uwierzyć w to, co odkryli
Aby zrozumieć kwantową naturę wodoru, musimy zidentyfikować ścieżkę przeskoku. Typowe sondy, takie jak promienie rentgenowskie i wiązki elektronów, nie mogą być używane do wykrywania wodoru ze względu na jego mały przekrój – opisuje Takahiro Ozawa, główny autor badania
Naukowcy zastosowali więc niestandardowe podejście – analizę reakcji jądrowych z wykorzystaniem tunelowania. Ta technika pozwoliła im precyzyjnie zlokalizować atomy wodoru w sieci krystalicznej palladu i śledzić ich ruchy. Odkryli interesujący wzorzec: wodór początkowo zajmuje mniej stabilne pozycje tetraedryczne, by następnie przetunelować do korzystniejszych miejsc oktaedrycznych.
Temperatura kluczem do zrozumienia procesu
Najciekawsze obserwacje dotyczyły wpływu temperatury na mechanizm tunelowania. Powyżej 20 kelwinów (około -253°C) szybkość tego procesu rośnie wraz ze wzrostem temperatury, co wskazuje na dominującą rolę fononów, czyli drgań sieci krystalicznej wspomagających przeskoki wodoru. Jednak poniżej tej granicy temperatura zaczyna działać odwrotnie. Im zimniej, tym wolniej przebiega tunelowanie, co sugeruje zaangażowanie elektronów przewodnictwa. W ekstremalnie niskich temperaturach elektrony nie nadążają za kwantowymi przeskokami wodoru, co paradoksalnie spowalnia cały proces. To subtelne zjawisko pokazuje, jak złożone są interakcje między różnymi składnikami materiału.
Czytaj też: Struktura, która łamie prawa fizyki. Naukowcy stworzyli materiał zmieniający się w czasie
Choć od odkrycia do komercyjnych zastosowań droga jest daleka, zrozumienie kwantowego zachowania wodoru w metalach otwiera interesujące możliwości. Może to prowadzić do projektowania materiałów o precyzyjnie kontrolowanych właściwościach, co znajdzie zastosowanie w efektywniejszych systemach magazynowania wodoru czy ulepszonych katalizatorach przemysłowych. Badacze podkreślają, że ich wyniki tworzą fundament dla technologii zdolnych do sterowania zachowaniem pojedynczych atomów poprzez efekty kwantowe. To krok w stronę inżynierii materiałowej na poziomie atomowym, choć na praktyczne wdrożenia przyjdzie nam pewnie jeszcze poczekać.