Международная группа ученых под руководством химиков из Университета Британской Колумбии (UBC) совершила прорыв в области квантовой физики, подтвердив давнее предсказание о сверхтекучести водорода. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, демонстрирует, что водород в наномасштабе действительно может проявлять свойства сверхтекучести — квантового состояния, при котором жидкость течет без трения.
Еще в 1972 году физик и нобелевский лауреат доктор Виталий Гинзбург выдвинул гипотезу о том, что жидкий водород может обладать сверхтекучестью. Это явление впервые наблюдалось у гелия в 1936 году, когда ученые обнаружили, что при низких температурах гелий может протекать через узкие каналы без трения или вязкости. С тех пор сверхтекучесть была зафиксирована в некоторых атомарных газах, но до недавнего времени не в молекулярном водороде.
Ключевой проблемой для исследователей являлось необычное фазовое поведение водорода. При температуре -259°C он переходит в твердое состояние, что затрудняет изучение его жидкой формы при сверхнизких температурах. Профессор Такамаса Момосэ, эксперт по холодным молекулам из UBC и ведущий автор исследования, вместе с коллегами из японских институтов RIKEN и Университета Канадзавы разработал инновационный метод для преодоления этого препятствия.
Исследователи создали «нано-лаборатории сверхнизких температур», заключив небольшие кластеры молекул водорода внутри нанокапель гелия при температуре -272,25°C (0,4 K). Этот подход позволил сохранить водород в жидком состоянии даже при экстремально низких температурах. Чтобы определить наличие сверхтекучести, ученые внедрили в водородные кластеры молекулы метана (CH₄) и с помощью лазерных импульсов заставили их вращаться.
«Вращающаяся молекула метана служила своего рода индикатором, как канарейка в угольной шахте,» — объясняет доктор Хацуки Отани, проводивший эту работу во время своей докторантуры в UBC. Если метан вращается быстрее и без сопротивления, это указывает на то, что окружающая среда из водорода обладает сверхтекучестью.
Критическое наблюдение произошло, когда исследователи поместили в кластер от 15 до 20 молекул водорода. В этих условиях молекулы метана вращались без сопротивления, что однозначно свидетельствовало о сверхтекучем поведении водорода. «Мы были в восторге, когда впервые наблюдали поразительно четкий спектр метана в крошечной капле жидкого водорода. Это был сильный признак сверхтекучести водорода. Затем теоретические результаты от коллег из Университета Канадзавы идеально совпали с нашими экспериментальными данными,» — отметил доктор Отани.
Открытие имеет потенциально важные последствия для развития чистой энергетики. Водород широко используется в топливных элементах, где единственным побочным продуктом является вода. Однако проблемы производства, хранения и транспортировки ограничивают развитие водородной инфраструктуры. «Это открытие углубляет наше понимание квантовых жидкостей и может вдохновить на создание более эффективных методов хранения и транспортировки водорода для чистой энергии,» — подчеркивает профессор Момосэ.
Беспрепятственный поток сверхтекучего водорода может стать основой для разработки новых технологий, которые сделают водородную энергетику более доступной и эффективной. Таким образом, подтверждение 50-летнего предсказания не только представляет значительный интерес для фундаментальной науки, но и открывает новые перспективы для практического применения в сфере экологически чистых источников энергии.
Изображение носит иллюстративный характер
Еще в 1972 году физик и нобелевский лауреат доктор Виталий Гинзбург выдвинул гипотезу о том, что жидкий водород может обладать сверхтекучестью. Это явление впервые наблюдалось у гелия в 1936 году, когда ученые обнаружили, что при низких температурах гелий может протекать через узкие каналы без трения или вязкости. С тех пор сверхтекучесть была зафиксирована в некоторых атомарных газах, но до недавнего времени не в молекулярном водороде.
Ключевой проблемой для исследователей являлось необычное фазовое поведение водорода. При температуре -259°C он переходит в твердое состояние, что затрудняет изучение его жидкой формы при сверхнизких температурах. Профессор Такамаса Момосэ, эксперт по холодным молекулам из UBC и ведущий автор исследования, вместе с коллегами из японских институтов RIKEN и Университета Канадзавы разработал инновационный метод для преодоления этого препятствия.
Исследователи создали «нано-лаборатории сверхнизких температур», заключив небольшие кластеры молекул водорода внутри нанокапель гелия при температуре -272,25°C (0,4 K). Этот подход позволил сохранить водород в жидком состоянии даже при экстремально низких температурах. Чтобы определить наличие сверхтекучести, ученые внедрили в водородные кластеры молекулы метана (CH₄) и с помощью лазерных импульсов заставили их вращаться.
«Вращающаяся молекула метана служила своего рода индикатором, как канарейка в угольной шахте,» — объясняет доктор Хацуки Отани, проводивший эту работу во время своей докторантуры в UBC. Если метан вращается быстрее и без сопротивления, это указывает на то, что окружающая среда из водорода обладает сверхтекучестью.
Критическое наблюдение произошло, когда исследователи поместили в кластер от 15 до 20 молекул водорода. В этих условиях молекулы метана вращались без сопротивления, что однозначно свидетельствовало о сверхтекучем поведении водорода. «Мы были в восторге, когда впервые наблюдали поразительно четкий спектр метана в крошечной капле жидкого водорода. Это был сильный признак сверхтекучести водорода. Затем теоретические результаты от коллег из Университета Канадзавы идеально совпали с нашими экспериментальными данными,» — отметил доктор Отани.
Открытие имеет потенциально важные последствия для развития чистой энергетики. Водород широко используется в топливных элементах, где единственным побочным продуктом является вода. Однако проблемы производства, хранения и транспортировки ограничивают развитие водородной инфраструктуры. «Это открытие углубляет наше понимание квантовых жидкостей и может вдохновить на создание более эффективных методов хранения и транспортировки водорода для чистой энергии,» — подчеркивает профессор Момосэ.
Беспрепятственный поток сверхтекучего водорода может стать основой для разработки новых технологий, которые сделают водородную энергетику более доступной и эффективной. Таким образом, подтверждение 50-летнего предсказания не только представляет значительный интерес для фундаментальной науки, но и открывает новые перспективы для практического применения в сфере экологически чистых источников энергии.
