Международная группа учёных под руководством химиков из Университета Британской Колумбии (UBC) показала, что нанокластеры водорода при сверхнизких температурах демонстрируют «сверхтекучесть» – квантовое состояние, характеризующееся течением без трения, которое ранее наблюдалось только у гелия.

Сверхтекучие свойства гелия были обнаружены ещё в 1936 году, когда учёные заметили, что при низких температурах атомы гелия могут протекать через чрезвычайно узкие каналы без трения или вязкости. Позже было установлено, что некоторые атомарные газы также могут проявлять свойства сверхтекучести.

В 1972 году физик и лауреат Нобелевской премии Виталий Гинзбург предсказал, что жидкий водород также может быть сверхтекучим. Однако до настоящего времени учёным не удавалось напрямую наблюдать молекулы водорода, способные перейти в сверхтекучее состояние.

Аппаратура и лазер, используемые исследователями из Университета Британской Колумбии, RIKEN и Университета Каназавы для демонстрации сверхтекучести водорода. Источник: Chie Nakayama, University of British Columbia

Обычно изучение водорода в жидкой форме представляет значительные трудности, так как он переходит в твёрдое состояние при температуре -259°C. Однако исследователям из UBC совместно с коллегами из японских институтов RIKEN и Университета Канадзавы удалось удержать водород в жидком состоянии даже при сверхнизких температурах. Для этого они поместили небольшие кластеры молекул водорода внутрь капель гелия при температуре -272,25°C (0,4 K).

Затем учёные внедрили молекулу метана в водородный кластер и заставили её вращаться с помощью лазерных импульсов. Вращающаяся молекула метана выступила в роли индикатора сверхтекучести – если она вращалась быстрее без сопротивления, то это означало, что окружающий водород находился в сверхтекучем состоянии. Когда в кластере было размещено достаточное количество молекул водорода (от 15 до 20), метан начал вращаться без сопротивления, что указывало на сверхтекучесть водорода.

Доктор Хацуки Отани, проводивший эксперименты в рамках своей докторской диссертации по химии в UBC, поделился впечатлениями: «Мы были в восторге, когда впервые наблюдали поразительно чёткий спектр метана в крошечной капле жидкого водорода. Это был явный признак сверхтекучести водорода. А затем теоретические результаты наших коллег из Университета Канадзавы идеально совпали с нашими экспериментальными данными».

Водород широко используется в топливных элементах, которые выделяют только воду в качестве побочного продукта. Однако проблемы с производством, хранением и транспортировкой водорода ограничивают развитие инфраструктуры для этого чистого топлива. Открытие сверхтекучести водорода может вдохновить на создание новых технологий для более эффективной транспортировки и хранения водорода в будущем, что потенциально может привести к значительному прогрессу в области чистой энергетики.

Подробнее на iXBT