اتم‌ها عبور از دیوارها: تونل‌زنی کوانتومی هیدروژن در کریستال پالادیم
توسط دانشگاه توکیو
ویرایش توسط لیزا لاک، بازبینی توسط رابرت ایگان
نکات سردبیر
این مقاله بر اساس فرآیندها و خط‌مشی‌های سردبیرانه Science X بررسی شده است. سردبیران ویژگی‌های زیر را برای حفظ اعتبار محتوا برجسته کرده‌اند:
تأیید صحت
منتشر شده پس از داوری همتا
منبع معتبر
بازخوانی
در دماهای پایین، اتم‌های هیدروژن کمتر شبیه ذرات و بیشتر شبیه امواج رفتار می‌کنند. این ویژگی امکان تونل‌زنی کوانتومی را فراهم می‌کند؛ یعنی عبور یک اتم از مانعی که انرژی پتانسیل بالاتری نسبت به انرژی خود اتم دارد. درک چگونگی عبور اتم‌های هیدروژنی از موانع پتانسیلی در زمینه‌های صنعتی کاربردهای مهمی دارد. با این حال، اندازهٔ کوچک اتم‌های هیدروژن مشاهدۀ مستقیم حرکت آن‌ها را بسیار دشوار می‌سازد.
در مطالعه‌ای منتشر شده در Science Advances، پژوهشگران مؤسسه علوم صنعتی دانشگاه توکیو، تشخیص دقیق تونل‌زنی کوانتومی اتم‌های هیدروژن در فلز پالادیم را گزارش کردند.
پالادیم فلزی است که هیدروژن را جذب می‌کند. اتم‌های پالادیم به‌صورت یک الگوی مکعبی سه‌بعدی تکراری یا به عبارت دیگر شبکه‌ای چیدمان می‌شوند. اتم‌های هیدروژن می‌توانند با پر کردن موقعیت‌های بین‌اتمی بین اتم‌های بزرگ پالادیم، وارد این شبکه شوند. این موقعیت‌ها به شکل شش‌وجهی (اکتاهدریک) و چهاروجهی (تتراهدر) هستند. هیدروژن به‌صورت پایدار در یک موقعیت شش‌وجهی قرار می‌گیرد و می‌تواند با عبور از یک موقعیت چهاروجهی که نسبت به موقعیت شش‌وجهی پایداری کمتری دارد، به موقعیت شش‌وجهی دیگری پرش کند.
پرش بین موقعیت‌های بین‌اتمی به دمای سامانه بستگی دارد، چرا که دما بازتابی از انرژی جنبشی متوسط اتم‌هاست. برای پرش بین موقعیت‌ها باید مانع انرژی غلبه کرد. 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 امواج رفتار می‌کنند و می‌توانند از مانع انرژی از طریق تونل‌زنی کوانتومی عبور کنند. برای این کار، اتم‌های هیدروژن نیاز به کمک فونون‌ها—نوسان‌های شبکه—یا الکترون‌های هدایت‌کننده، یعنی الکترون‌های آزاد در فلز میزبان پالادیم، دارند.
«برای درک ماهیت کوانتومی هیدروژن، باید مسیر پرش را شناسایی کنیم،» توضیح می‌دهد نویسنده اصلی، تاکاهیرو اوزاوا. «ابزارهای معمولی مانند پرتوهای ایکس و پرتوهای الکترونی به دلیل مقطع کوچک هیدروژن، نمی‌توانند هیدروژن را شناسایی کنند. بنابراین، ما از تحلیل واکنش هسته‌ای کانالینگ برای یافتن هیدروژن در شبکهٔ پالادیم استفاده کردیم.»
تیم تحقیقاتی اشاره کرد که اتم‌های هیدروژنی که به پالادیم تزریق می‌شوند ابتدا موقعیت‌های چهاروجهی متاستابلی را اشغال می‌کنند و سپس با تونل‌زنی به موقعیت‌های شش‌وجهی پایدار منتقل می‌شوند. نرخ تونل‌زنی با اندازه‌گیری هادیّت الکتریکی تعیین شد که سرنخ‌های مهمی دربارهٔ نحوه وقوع تونل‌زنی فراهم می‌آورد.
«بالای ۲۰ کلوین، نرخ تونل‌زنی به‌صورت اندک با افزایش دما بالا رفت، که نشانه‌ای از تأثیرات فونونی است،» گزارش می‌کند کاتسویکی فکووتانی، نویسندهٔ ارشد. «اما زیر ۲۰ کلوین، نرخ تونل‌زنی به‌صورت اندک با کاهش دما کاهش یافت، که نشان‌دهندهٔ مشارکت الکترون‌های هدایت‌کننده است که نمی‌توانند به‌طور کامل با حرکت اتم‌های هیدروژن همگام شوند.»
یافته‌های این تیم پژوهشی درک ما از ماهیت کوانتومی انتشار هیدروژن را تعمیق می‌بخشد و راه را برای توسعه فناوری‌هایی که رفتار اتمی را بر پایهٔ اثرات کوانتومی کنترل می‌کنند، هموار می‌سازد.
اطلاعات بیشتر: تاکاهیرو اوزاوا و همکاران، «مشاهدهٔ 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 نشریه: Science Advances
ارائه شده توسط دانشگاه توکیو
ارجاع: اتم‌ها عبور از دیوارها: تونل‌زنی کوانتومی هیدروژن در کریستال پالادیم (2025، ۲۱ نوامبر) استخراج‌شده در ۲۱ نوامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-11-atoms-walls-quantum-tunneling-hydrogen.html
این سند تحت حق‌نشر است. به‌جز موارد استفاده منصفانه برای مطالعه یا پژوهش خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا صرفاً جهت اطلاع‌رسانی ارائه شده است.