Άτομα που περνούν μέσα από τοίχους: Κβαντικό tunneling του υδρογόνου σε κρύσταλλο παλλαδίου

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα άτομα υδρογόνου λειτουργούν περισσότερο σαν κύματα παρά σαν σωματίδια. Αυτό επιτρέπει το φαινόμενο του κβαντικού tunneling, δηλαδή τη διέλευση μέσα από ένα ενεργειακό φράγμα υψηλότερο από τη δική τους ενέργεια. Η άμεση παρατήρηση αυτής της συμπεριφοράς είναι εξαιρετικά δύσκολη, λόγω του απειροελάχιστου μεγέθους του υδρογόνου.

Μια νέα μελέτη στο Science Advances από το University of Tokyo κατάφερε να ανιχνεύσει με εξαιρετική ακρίβεια το κβαντικό tunneling του υδρογόνου μέσα σε παλλάδιο.

Η δομή του παλλαδίου και οι θέσεις του υδρογόνου

Το παλλάδιο αποτελείται από ένα τρισδιάστατο κυβικό πλέγμα ατόμων. Τα άτομα υδρογόνου μπορούν να εισέλθουν σε αυτό το πλέγμα και να τοποθετηθούν σε ενδοπλεγματικές θέσεις: τις οκταεδρικές, όπου είναι σταθερά, και τις τετραεδρικές, οι οποίες είναι μετασταθείς. Για να μετακινηθεί από μια οκταεδρική θέση σε μια άλλη, το υδρογόνο πρέπει να περάσει από μια τετραεδρική.

Σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεταπήδηση αυτή γίνεται επειδή τα άτομα έχουν αρκετή κινητική ενέργεια. Σε χαμηλές θερμοκρασίες όμως, η μετάβαση συμβαίνει μέσω κβαντικού tunneling, με βοήθεια από φωνόνια – τις δονήσεις του πλέγματος – ή από ηλεκτρόνια αγωγιμότητας του παλλαδίου.

Η μέθοδος ανίχνευσης και τα ευρήματα

«Για να κατανοήσουμε την κβαντική φύση του υδρογόνου, πρέπει να εντοπίσουμε τη διαδρομή μεταπήδησης», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας Takahiro Ozawa. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν channeling nuclear reaction analysis, επειδή οι συνηθισμένες μέθοδοι, όπως ακτίνες Χ ή ηλεκτρόνια, δεν μπορούν να ανιχνεύσουν αποτελεσματικά το υδρογόνο.

Η ομάδα ανακάλυψε ότι τα άτομα υδρογόνου αρχικά κατέλαβαν τις μετασταθείς τετραεδρικές θέσεις και στη συνέχεια μετακινήθηκαν στις σταθερές οκταεδρικές θέσεις μέσω tunneling. Ο ρυθμός αυτού του tunneling μετρήθηκε μέσω ηλεκτρικής αγωγιμότητας.

«Πάνω από τους 20 K, ο ρυθμός tunneling αυξάνεται ελαφρά με τη θερμοκρασία, κάτι που δείχνει την επίδραση των φωνονίων», σημειώνει ο Katsuyuki Fukutani. «Κάτω από τους 20 K όμως, ο ρυθμός μειώνεται ελαφρά, γεγονός που υποδηλώνει τη συμμετοχή των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας, τα οποία δεν μπορούν να ακολουθήσουν πλήρως την κίνηση των ατόμων υδρογόνου».

Προοπτικές και εφαρμογές

Τα ευρήματα της ομάδας του Tokyo εμβαθύνουν την κατανόηση της κβαντικής διάχυσης του υδρογόνου και ανοίγουν τον δρόμο για τεχνολογίες που θα εκμεταλλεύονται και θα ελέγχουν τη συμπεριφορά των ατόμων μέσω κβαντικών φαινομένων.