اتم‌های عبور از دیوارها: تونل‌زنی کوانتومی هیدروژن در بلور پالادیوم
توسط دانشگاه توکیو
ویرایش شده توسط لیزا لاک، بازبینی شده توسط رابرت ایگان
یادداشت‌های ویراستاران
این مقاله بر اساس فرآیند و سیاست‌های سردبیری Science X مورد بازبینی قرار گرفته است. ویراستاران در راستای تضمین اعتبار محتوا، ویژگی‌های زیر را تأکید کرده‌اند:
تأیید صحت
مقاله بازنگری همتا
منبع معتبر
بازخوانی
در دماهای پایین، اتم‌های هیدروژن کمتر شبیه ذره و بیشتر شبیه موج رفتار می‌کنند. این ویژگی امکان تونل‌زنی کوانتومی را فراهم می‌آورد؛ عبور یک اتم از مانعی که انرژی پتانسیل آن بالاتر از انرژی خود اتم است. درک چگونگی عبور اتم‌های هیدروژن از موانع پتانسیلی، کاربردهای صنعتی مهمی دارد. اما، اندازه کوچک اتم‌های هیدروژن مشاهده مستقیم حرکت آن‌ها را به‌سختی امکان‌پذیر می‌سازد.
در مطالعه‌ای که در Science Advances منتشر شد، پژوهشگران مؤسسهٔ علوم صنعتی دانشگاه توکیو تشخیص دقیق تونل‌زنی کوانتومی اتم‌های هیدروژن در فلز پالادیوم را گزارش کردند.
پالادیوم فلزی است که هیدروژن را جذب می‌کند. اتم‌های پالادیوم در یک الگوی مکعبی سه‌بعدی تکراری که به آن شبکه یا lattice می‌گویند، چینش می‌شوند. اتم‌های هیدروژن می‌توانند با اشغال موقعیت‌های بین‌اتمی بین اتم‌های بزرگ پالادیوم، وارد این شبکه شوند. این موقعیت‌ها به شکل اکتاهدرال و تتراهدرال هستند. هیدروژن به‌صورت پایدار در یک موقعیت اکتاهدرال قرار می‌گیرد و می‌تواند از طریق یک موقعیت تتراهدرال، به موقعیت اکتاهدرال دیگری بپرد؛ موقعیت تتراهدرال نسبت به اکتاهدرال متاستابِل (یعنی کم‌پایدارتر) است.
پرش بین موقعیت‌های بین‌اتمی به دمای سیستم وابسته است؛ دما نشان‌دهنده انرژی جنبشی متوسط اتم‌ها است. برای پرش بین موقعیت‌ها باید مانع انرژی را پشت سر گذاشت. در دماهای بالا، اتم‌های هیدروژن انرژی جنبشی کافی برای پرش دارند.
با این حال، پرش هیدروژن می‌تواند در دماهای پایین نیز به‌دلیل اثرات کوانتومی رخ دهد. به این معنی که اتم‌های هیدروژن مانند موج رفتار می‌کنند و می‌توانند از مانع انرژی عبور کنند؛ این عبور به‌صورت تونل‌زنی کوانتومی صورت می‌گیرد. برای این منظور، اتم‌های هیدروژن به کمک فونون‌ها — ارتعاشات شبکه — یا الکترون‌های هادی، یعنی الکترون‌های آزاد در فلز میزبان پالادیوم، نیاز دارند.
“برای درک طبیعت کوانتومی هیدروژن، باید مسیر پرش را شناسایی کنیم”، می‌گوید نویسنده اصلی، Takahiro Ozawa. “ابزارهای معمولی مانند پرتو ایکس و پالس‌های الکترونی به‌دلیل بخش مقطعی کوچک هیدروژن نمی‌توانند آن را شناسایی کنند. بنابراین، ما از تحلیل واکنش هسته‌ای کانالینگ برای مکان‌یابی هیدروژن در شبکه پالادیوم استفاده کردیم.”
تیم تحقیقاتی مشاهده کرد که اتم‌های هیدروژن که به پالادیوم تزریق می‌شوند، ابتدا موقعیت‌های متاستابِل تتراهدرال را اشغال می‌کنند و سپس با تونل‌زنی به موقعیت‌های پایدار اکتاهدرال منتقل می‌شوند. نرخ تونل‌زنی با اندازه‌گیری هدایت الکتریکی کمیت‌دار شد که سرنخ‌های مهمی دربارهٔ چگونگی وقوع تونل‌زنی ارائه می‌دهد.
“بالای ۲۰ K، نرخ تونل‌زنی با افزایش دما کمی افزایش یافت، که نشانه‌ای از اثرات فونون‌ها است”، گزارش می‌کند Katsuyuki Fukutani، نویسنده ارشد. “اما زیر ۲۰ K، نرخ تونل‌زنی با افزایش دما کمی کاهش یافت، که نشانگر مشارکتی الکترون‌های هادی است که نمی‌توانستند به‌طور کامل حرکت اتم‌های هیدروژن را دنبال کنند.”
یافته‌های تیم پژوهشی فهم ما از ماهیت کوانتومی نشر هیدروژن را عمیق‌تر می‌کند و راه را برای توسعه فناوری‌هایی که رفتار اتمی را بر پایه اثرات کوانتومی کنترل می‌کنند، باز می‌سازد.
اطلاعات بیشتر: Takahiro Ozawa و همکاران، «مشاهده تونل‌زنی پروتون مرتبط با فونون‌ها و الکترون‌ها در Pd»، Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady8495. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady8495
اطلاعات مجله: Science Advances
ارائه‌شده توسط دانشگاه توکیو
استناد: اتم‌های عبور از دیوارها: تونل‌زنی کوانتومی هیدروژن در بلور پالادیوم (2025، ۲۱ نوامبر) بازیابی‌شده در ۲۴ نوامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-11-atoms-walls-quantum-tunneling-hydrogen.html
این سند تحت حق تکثیر است. به‌جز موارد استفاده منصفانه برای مطالعه یا پژوهش خصوصی، هیچ بخشی از آن بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاع‌رسانی ارائه شده است.