关于氢的这一预测，终于得到了证实

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨

在接近绝对零度的低温下，某些流体会进入一种零黏度状态，表现出毫无阻力、无摩擦地流动的能力。这种非凡的状态就是超流性。

早在1936年，科学家就在低温下发现氦具有超流性。此后，一些原子气体也被证实具有类似的行为。1972年，诺贝尔奖得主、物理学家维塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）提出，氢分子（H₂）在极低温下也可能具备超流性。然而，这一理论预测，在此后数十年间一直缺乏直接证据支持。

在一项新发表于《科学进展》的研究中，一个国际研究团队在0.4K（-272.75°C）的温度下，观察到了氢纳米团簇展现出的超流性，这是首次在氢分子中直接观测到超流性。

让氢在极寒中流动

氢分子是最简单、最轻的分子，它是一种无自旋复合玻色子。物理学家预测，氢分子会在1~2K的温度下转变为超流体。然而，氢在低于13.8K时就会凝固。因此，在理论预测的1~2K的温度下，氢已经成为固体，使得验证其超流性变得极其困难。

为了打破这一困境，在新的研究中，研究人员设计了一种创新的“纳米级超冷实验室”：他们将由少量氢分子构成的团簇限制在氦纳米液滴中，并将整体系统冷却至0.4K。虽然这一温度低于氢的凝固点，但借助氦纳米液滴的作用，氢分子得以维持液态，从而为观察其潜在的超流体特性创造了条件。

研究人员将氢分子限制在氦纳米液滴中，然后在氢分子中嵌入一个甲烷分子（左），并使用激光束照射甲烷（右）来使甲烷旋转，通过测量旋转来确定氢的超流性。（图/Susumu Kuma，RIKEN）

接下来，研究人员向氢团簇中嵌入一个甲烷（CH₄）分子，并使用激光脉冲激发其旋转。旋转的甲烷分子的“转动光谱”可以成为检验周围的氢分子是否成为超流体的理想“探针”。在普通液体中，氢分子会阻碍甲烷的旋转，使其转动光谱模糊不清；而在超流体环境下，甲烷能够无阻力地旋转，呈现出锐利清晰的转动光谱。

正是通过这一方法，研究人员首次在微小的液态氢团簇中观测到了甲烷的清晰光谱，从而确认了周围的氢分子表现出无摩擦的量子流动行为。研究人员指出，这项实验相当于1946年Elephter Andronikashvili在超流氦中所进行的旋转圆盘实验的“微观版本”——当年，他通过观测一个圆盘在超流氦中的旋转受阻情况，来测定超流性。而如今，甲烷分子就相当于那个微缩的圆盘。

氢分子的数量

实验进一步显示，氢团簇是否展现出超流性，与氢分子数相关。当氢团簇中的氢分子少于6个时，甲烷的旋转仍受到摩擦阻力的影响。但当氢分子数量增加至10个左右，摩擦开始显著减小，甲烷旋转速度加快。尤其是当氢聚集至15至20个时，甲烷分子的旋转几乎完全不受阻碍，表明整个团簇已表现出近乎完美的超流性。

这种与团簇大小的相关性和团队开展的模拟结果高度一致。他们通过路径积分蒙特卡罗模拟，预测了当团簇中的氢分子数量增加到5个以上时，系统中已有超过60%的氢团簇开始参与所谓的量子玻色子交换——这是超流性的典型特征。

迈向“无摩擦”的氢能未来？

这一研究不仅验证了金茨堡提出的长期预测，也为量子流体研究提供了全新方向。作为宇宙中最丰富的元素之一，氢在能源技术中扮演着重要角色，尤其是在燃料电池、清洁能源载体和长距离运输等领域。然而，氢在常温常压下难以储存或运输，其低密度和高易燃性始终是工程难题。新研究有望为更高效的氢储存与清洁能源输运提供新思路。

更重要的是，这项研究为探索量子物质与经典物质的边界提供了实验平台。研究人员表示，他们计划进一步探索更大规模的氢团簇（从20到上百万个分子），以理解超流性如何随着系统规模演变，以及最终是否能在不借助氦液滴的情况下构建纯氢超流体。此外，他们还计划测试这些氢团簇对外部电场和磁场的响应，探索其在量子控制、信息处理和超导材料中的潜力。

参考来源：

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