Рис. Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета раскрыли, как симметрия кристалла определяет, подчиняется ли водород правилам квантовой или классической физики. (Институт промышленных наук, Токийский университет)

Водород перемещается в ванадии, перескакивая между междоузлиями в кристаллической решетке. В некоторых случаях он ведет себя как классическая частица и должен преодолевать энергетические барьеры, чтобы переместиться на соседние участки; в других случаях он может использовать квантовый обходной путь, «туннелируя» между участками и перемещаясь подобно волне через эти барьеры. Понимание того, что определяет, проявляет ли водород квантовое или классическое поведение, может помочь ученым разработать более эффективные технологии хранения водорода и энергоснабжения.

При низкой концентрации водорода кристалл сохраняет высокосимметричную структуру. В этих условиях атомы водорода легко туннелируют между соседними узлами, образуя делокализованные квантовые состояния, распределенные по соседним атомным узлам. Однако при более высоких концентрациях водорода кристалл деформируется, подавляя туннелирование и заставляя водород вести себя скорее как классическая частица.

Кристаллическая симметрия — это тот самый переключатель, который включает или выключает квантовое поведение. В симметричной структуре водород находит эквивалентные пути, позволяющие ему туннелировать между узлами. Искажение этой симметрии — как это происходит при более высоких концентрациях водорода — подавляет туннелирование, заставляя водород полагаться на тепловую энергию для перемещения между узлами.

Раскрывая роль кристаллической симметрии, это исследование закладывает основу для нового поколения передовых материалов, предназначенных для следующего этапа развития энергетических технологий.