Международная группа исследователей под руководством химиков из Университета Британской Колумбии (UBC) продемонстрировала, что нанокластеры водорода при экстремально низких температурах проявляют свойства «сверхтекучести» – квантового состояния, при котором вещество течёт без трения. Ранее подобное явление наблюдалось исключительно у гелия.
Сверхтекучесть гелия была открыта ещё в 1936 году, когда учёные обнаружили, что при охлаждении до определённых температур атомы гелия способны проникать через узкие каналы без какого-либо сопротивления или вязкости. Впоследствии аналогичные свойства были выявлены и у некоторых атомарных газов.
В 1972 году выдающийся физик и лауреат Нобелевской премии Виталий Гинзбург предположил, что жидкий водород также может обладать сверхтекучими свойствами. Однако до недавнего времени учёным не удавалось экспериментально подтвердить это предположение, так как наблюдение за молекулами водорода в таком состоянии представляло значительные сложности.
Международная группа исследователей под руководством химиков из Университета Британской Колумбии (UBC) доказала, что нанокластеры водорода при сверхнизких температурах способны демонстрировать «сверхтекучесть» – уникальное квантовое состояние, при котором вещество течёт без трения. Ранее подобное явление наблюдалось только у гелия.
Сверхтекучесть гелия была открыта ещё в 1936 году, когда учёные заметили, что при охлаждении до определённых температур атомы гелия могут протекать через 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 выдвинул гипотезу о том, что жидкий водород также может быть сверхтекучим. Однако до настоящего времени учёным не удавалось напрямую наблюдать молекулы водорода в таком состоянии.
Изучение жидкого водорода всегда было сопряжено с большими трудностями, поскольку 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 экстремально низких температурах. Для этого они поместили небольшие кластеры молекул водорода внутрь капель гелия, охлаждённых до температуры -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 стала индикатором сверхтекучести: если она вращалась быстрее без сопротивления, это свидетельствовало о том, что окружающий водород находился в сверхтекучем состоянии. Когда в кластере было размещено от 15 до 20 молекул водорода, метан начал вращаться без сопротивления, что подтвердило наличие сверхтекучести.
Доктор Хацуки Отани, проводивший эксперименты в рамках своей докторской диссертации по химии в UBC, поделился своими впечатлениями: «Мы были в восторге, когда впервые увидели чёткий спектр метана в крошечной капле жидкого водорода. Это был явный признак сверхтекучести. А теоретические расчёты наших коллег из Университета Канадзавы идеально совпали с нашими экспериментальными данными».
Водород активно используется в топливных элементах, которые производят только воду в качестве побочного продукта. Однако сложности с производством, хранением и транспортировкой водорода сдерживают развитие инфраструктуры для этого экологически чистого топлива. Открытие сверхтекучести водорода может стать основой для разработки новых технологий, которые сделают транспортировку и хранение водорода более эффективными. Это открытие способно дать мощный импульс развитию чистой энергетики и стать важным шагом на пути к устойчивому будущему.