2026年4月29日——马里兰大学化学物理学家的一项新研究表明，只需将分子氢（H₂）在干冰中冷冻，即可控制其核自旋。这项新技术于2026年4月29日发表在《物理评论快报》期刊上，有望改善氢燃料的能量储存、量子计算的存储器性能，以及在外太空测量彗星温度的能力。

“该团队的论文展示了一种仅通过材料设计来控制量子行为的新方法，”马里兰大学化学与生物化学系助理教授、该论文的资深作者Leah Dodson表示，“该工作通过实验证明，当分子氢——最简单的分子——被限制在不同的分子晶体中时，周围固体的对称性决定了哪些量子自旋态可以相互转换，哪些保持受保护状态。”

核自旋描述了原子核的角动量。分子氢存在两种状态：一种是两个氢原子的核自旋相互抵消（仲氢，para-H₂），另一种是它们叠加（正氢，ortho-H₂）。正氢有三个子状态，由原子核旋转的方向决定。

当分子氢冷却时，正氢自然倾向于转换为其能量较低的仲氢状态，但这项新研究表明，将物质冷冻在干冰晶体中会阻止正氢的两个子状态发生这种转换。

“重要的发现是，取决于我们将氢分子放入哪种冰中，其量子动力学完全依赖于周围环境，”该论文的第一作者、化学物理研究生Nathan McLane说。

其原因与干冰晶体的几何结构有关。McLane表示，其结构和对称性为氢分子施加了“一套必须遵循的“规则””。研究人员发现，通过向晶格中引入二氧化氮可以放松这些规则，从而改变晶体性质，使所有三个正氢子状态都能转换为仲氢。

控制核自旋具有广泛的应用，但此前需要强磁场或化学催化剂才能实现。由于氢的不同量子态需要不同的能量来加热，资助这项研究的美国能源部可以通过富集分子氢的某些核自旋态同时保护其他态，从而更稳定高效地储存氢燃料。接下来，Dodson和McLane将用另一种燃料——甲烷——重复这一实验。

Dodson补充说，分子氢在从正氢转换为仲氢时会释放热量。她说，燃料管理者必须安全高效地处理这些热量，因此他们有动力去了解热量是如何产生的。

这些发现还可能改进天文测量。同样研究天体化学的Dodson解释说，美国国家航空航天局（NASA）通过测量彗星释放的正水和仲水的比例来估算这些彗星形成时的温度。这一计算假设了彗星中核自旋变化的某些未经证实的模式；Dodson希望利用这种新方法在实验室中验证或反驳这些假设。

最后，能够保护粒子的量子态可能为量子计算带来更稳定的存储器形式。McLane解释说，这些好处可能非常显著，因为实验装置非常简单。

“通常，量子科学家必须进行非常复杂的实验才能获得量子比特，”McLane说，“但这只是干冰中的氢分子。”

尽管量子科学家不太可能用冷冻在干冰中的氢来制造量子比特，但Dodson表示，这项里程碑式的研究为更多应用研究奠定了基础。

“该工作正在奠定量子态如何可能受到保护的基础规则，”她说，“这就是其影响力的所在。”