在接近絕對零度的低溫下，某些流體會進入一種零黏度狀態(tài)，表現(xiàn)出毫無無阻力、無摩擦地流動的能力。這種非凡的狀態(tài)就是超流性。
早在1936年，科學(xué)家就在低溫下發(fā)現(xiàn)氦具有超流性。此后，一些原子氣體也被證實具有類似的行為。1972年，諾貝爾獎得主、物理學(xué)家維塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）提出，氫分子（H?）在極低溫下也可能具備超流性。然而，這一理論預(yù)測，在此后數(shù)十年間一直缺乏直接證據(jù)支持。
在一項新發(fā)表于《科學(xué)進展》的研究中，一個國際研究團隊在0.4K（-272.75°C）的溫度下，觀察到了氫納米團簇展現(xiàn)出的超流性，這是首次在氫分子中直接觀測到超流性。
讓氫在極寒中流動
氫分子是最簡單、最輕的分子，它是一種無自旋復(fù)合玻色子。物理學(xué)家預(yù)測，氫分子會在1~2K的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w。然而，氫在低于13.8K時就會凝固。因此，在理論預(yù)測的1~2K的溫度下，氫已經(jīng)成為固體，使得驗證其超流性變得極其困難。
為了打破這一困境，在新的研究中，研究人員設(shè)計了一種創(chuàng)新的“納米級超冷實驗室”：他們將由少量氫分子構(gòu)成的團簇限制在氦納米液滴中，并將整體系統(tǒng)冷卻至0.4K。雖然這一溫度低于氫的凝固點，但借助氦納米液滴的作用，氫分子得以維持液態(tài)，從而為觀察其潛在的超流體特性創(chuàng)造了條件。
研究人員將氫分子限制在氦納米液滴中，然后在氫分子中嵌入一個甲烷分子（左），并使用激光束照射甲烷（右）來使甲烷旋轉(zhuǎn)，通過測量旋轉(zhuǎn)來確定氫的超流性。（圖/Susumu Kuma, RIKEN）
接下來，研究人員向氫團簇中嵌入一個甲烷（CH?）分子，并使用激光脈沖激發(fā)其旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的甲烷分子的“轉(zhuǎn)動光譜”可以成為檢驗周圍的氫分子是否成為超流體的理想“探針”。在普通液體中，氫分子會阻礙甲烷的旋轉(zhuǎn)，使其轉(zhuǎn)動光譜模糊不清；而在超流體環(huán)境下，甲烷能夠無阻力地旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出銳利清晰的轉(zhuǎn)動光譜。
正是通過這一方法，研究人員首次在微小的液態(tài)氫團簇中觀測到了甲烷的清晰光譜，從而確認了周圍的氫分子表現(xiàn)出無摩擦的量子流動行為。研究人員指出，這項實驗相當(dāng)于1946年Elephter Andronikashvili在超流氦中所進行的旋轉(zhuǎn)圓盤實驗的“微觀版本”——當(dāng)年，他通過觀測一個圓盤在超流氦中的旋轉(zhuǎn)受阻情況，來測定超流性。而如今，甲烷分子就相當(dāng)于那個微縮的圓盤。
氫分子的數(shù)量
實驗進一步顯示，氫團簇是否展現(xiàn)出超流性，與氫分子數(shù)相關(guān)。當(dāng)氫團簇中的氫分子少于6個時，甲烷的旋轉(zhuǎn)仍受到摩擦阻力的影響。但當(dāng)氫分子數(shù)量增加至10個左右，摩擦開始顯著減小，甲烷旋轉(zhuǎn)速度加快。尤其是當(dāng)氫聚集至15至20個時，甲烷分子的旋轉(zhuǎn)幾乎完全不受阻礙，表明整個團簇已表現(xiàn)出近乎完美的超流性。
這種與團簇大小的相關(guān)性和團隊開展的模擬結(jié)果高度一致。他們通過路徑積分蒙特卡羅模擬，預(yù)測了當(dāng)團簇中的氫分子數(shù)量增加到5個以上時，系統(tǒng)中已有超過60%的氫團簇開始參與所謂的量子玻色子交換——這是超流性的典型特征。
邁向“無摩擦”的氫能未來？
這一研究不僅驗證了金茨堡提出的長期預(yù)測，也為量子流體研究提供了全新方向。作為宇宙中最豐富的元素之一，氫在能源技術(shù)中扮演著重要角色，尤其是在燃料電池、清潔能源載體和長距離運輸?shù)阮I(lǐng)域。然而，氫在常溫常壓下難以儲存或運輸，其低密度和高易燃性始終是工程難題。新研究有望為更高效的氫儲存與清潔能源輸運提供新思路。
更重要的是，這項研究為探索量子物質(zhì)與經(jīng)典物質(zhì)的邊界提供了實驗平臺。研究人員表示，他們計劃進一步探索更大規(guī)模的氫團簇（從20到上百萬個分子），以理解超流性如何隨著系統(tǒng)規(guī)模演變，以及最終是否能在不借助氦液滴的情況下構(gòu)建純氫超流體。此外，他們還計劃測試這些氫團簇對外部電場和磁場的響應(yīng)，探索其在量子控制、信息處理和超導(dǎo)材料中的潛力。
#參考來源：
https://physicsworld.com/a/superfluid-phase-spotted-in-molecular-hydrogen-for-the-first-time/
https://science.ubc.ca/news/february-21-2025/hydrogen-becomes-superfluid-nanoscale-confirming-50-year-old-prediction
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1093
#圖片來源：
封面圖&首圖：Susumu Kuma, RIKEN
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