779
Атоми водню всередині кристалу ванадію можуть рухатися двома принципово різними способами: як звичайні частинки, що перестрибують між позиціями, або як квантові хвилі, які проходять крізь енергетичні бар’єри. Команда з Інституту промислових наук Токійського університету показала, що «перемикачем» між цими режимами є симетрія кристалічної решітки ванадію. Про це йдеться в роботі, опублікованій у журналі Nature Communications, на яку звертає увагу видання SciTechDaily.
Як водень рухається крізь кристал ванадію
У металічному ванадії водень подорожує через невеликі порожнини в кристалічній решітці. У класичному режимі атом повинен отримати достатньо теплової енергії, щоб подолати бар’єр між сусідніми позиціями. Такий рух залежить від температури: що вища температура, то легше атомам «перестрибувати».
Квантова механіка дозволяє інший сценарій. Завдяки явищу тунелювання водень може поводитися як хвиля і «просочуватися» крізь енергетичний бар’єр, а не долати його зверху. Розуміння того, що саме визначає перехід між цими двома режимами, важливе для створення матеріалів, які ефективно зберігають і пропускають водень.
Ванадій вважають перспективним матеріалом для таких задач: він легко поглинає водень і дає атомам можливість рухатися крізь свою решітку. Однак причини зміни поведінки водню в цьому металі залишалися не до кінця зрозумілими.
Симетрія як квантовий «перемикач»
Дослідники поєднали експериментальні вимірювання структури та дифузії водню у ванадії з квантово-механічними розрахунками. Їхні результати показали, що ключову роль відіграє саме симетрія кристалу.
За низьких концентрацій водню решітка ванадію зберігає високу симетрію. У такій структурі сусідні позиції для атомів водню є структурно еквівалентними. Це створює умови, за яких водень може тунелювати між цими позиціями і формувати делокалізовані квантові стани, розподілені відразу на кілька атомних місць.
Коли ж у матеріал входить більше водню, кристалічна решітка спотворюється. Втрата симетрії руйнує еквівалентність шляхів, необхідних для тунелювання. У результаті квантовий ефект пригнічується, і водень починає поводитися як класична частинка, якій потрібна теплова енергія, щоб «перестрибувати» між позиціями.
Автори роботи підкреслюють: саме кристалічна симетрія є базовим механізмом, який вмикає або вимикає квантову поведінку. У симетричній структурі водень знаходить еквівалентні шляхи для тунелювання, а при спотворенні решітки — змушений покладатися на повільніший, температурно залежний рух.
Керування атомами для водневої енергетики
Відкриття вказує, що рух водню в твердому тілі можна регулювати, цілеспрямовано змінюючи симетрію кристалічної решітки матеріалу. Керуючи внутрішньою структурою, можна задавати, чи поширюватиметься водень швидко за рахунок квантового тунелювання, чи повільніше — через класичне «стрибання» між позиціями.
На думку дослідників, можливість контролювати поведінку водню на атомному рівні здатна покращити матеріали для зберігання, транспортування та очищення водню. Це важливо для розвитку технологій, що розглядають водень як більш чисте джерело енергії.
У міру розвитку водневих технологій точне керування окремими атомами всередині матеріалів ставатиме дедалі критичнішим. Визначивши кристалічну симетрію як «перемикач» між квантовим і класичним рухом, ця робота закладає більш чітку основу для проєктування матеріалів, здатних керувати воднем з високою точністю.
Кристалічна симетрія керує квантовою поведінкою водню у ванадії з’явилася спочатку на Цікавості.
