2026年7月15日——随着对清洁氢能兴趣的增长，对安全储存和运输材料的需求也随之增加。钒正是这样一种候选材料，它易于吸收氢气，并允许氢在其晶体结构中移动。然而，当氢与钒共存时，会表现出不同的行为，其根本原因尚不清楚。

在最近发表于《自然通讯》上的一篇文章中，东京大学生产技术研究所的研究人员揭示了这一难题的关键部分。通过将氢的结构和扩散测量与量子力学计算相结合，该团队发现晶体对称性如何控制氢在钒内部表现为量子波还是经典粒子。

氢通过在晶格间隙位置间跳跃来穿过钒。在某些情况下，它像经典粒子一样，必须克服能量势垒才能移动到邻近位置；在另一些情况下，它可以通过在位置间进行“量子隧穿”来走量子捷径，像波一样穿过这些势垒。理解是什么决定了氢表现出量子行为还是经典行为，可以帮助科学家开发更高效的储氢和能源技术。

通讯作者小泽贵宏表示：“我们的研究结果表明，晶体对称性是控制氢量子行为的关键。高度对称的结构允许氢发生隧穿，而扭曲的结构则会抑制这种效应。”

当氢浓度较低时，晶体保持高度对称的结构。在这些条件下，氢原子很容易在邻近位置间隧穿，形成跨越邻近原子位的离域量子态。然而，在较高氢浓度下，晶体发生扭曲，抑制了隧穿，导致氢的行为更像经典粒子。

资深作者福谷克之解释道：“晶体对称性是一个潜在的开关，可以开启或关闭量子行为。在对称结构中，氢找到了允许其在位置间隧穿的等效路径。扭曲这种对称性——就像在较高氢浓度下发生的那样——则会抑制隧穿，迫使氢转而依赖热能来在位置间跳跃。”

这一新认识可以为开发旨在控制氢量子行为的材料提供实用策略。此类材料有潜力为未来技术做出贡献，包括那些用于承载清洁能源的技术。

第一作者苏丹舒·塞卡尔·达斯表示：“控制氢行为的能力可以改进用于储氢和扩散控制的材料。这些进展可能有益于涉及运输和纯化的各种氢基技术。”

随着研究人员继续将氢作为更清洁的能源进行研究，理解并最终控制其在原子尺度上的行为将变得越来越重要。通过揭示晶体对称性的作用，这项研究为设计用于下一阶段能源技术的新一代先进材料奠定了基础。