在接近絕對(duì)零度的低溫下，某些流體會(huì)進(jìn)入一種零黏度狀態(tài)，表現(xiàn)出毫無(wú)無(wú)阻力、無(wú)摩擦地流動(dòng)的能力。這種非凡的狀態(tài)就是超流性。

早在1936年，科學(xué)家就在低溫下發(fā)現(xiàn)氦具有超流性。此后，一些原子氣體也被證實(shí)具有類似的行為。1972年，諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家維塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）提出，氫分子（H?）在極低溫下也可能具備超流性。然而，這一理論預(yù)測(cè)，在此后數(shù)十年間一直缺乏直接證據(jù)支持。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的研究中，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在0.4K（-272.75°C）的溫度下，觀察到了氫納米團(tuán)簇展現(xiàn)出的超流性，這是首次在氫分子中直接觀測(cè)到超流性。

讓氫在極寒中流動(dòng)

氫分子是最簡(jiǎn)單、最輕的分子，它是一種無(wú)自旋復(fù)合玻色子。物理學(xué)家預(yù)測(cè)，氫分子會(huì)在1~2K的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w。然而，氫在低于13.8K時(shí)就會(huì)凝固。因此，在理論預(yù)測(cè)的1~2K的溫度下，氫已經(jīng)成為固體，使得驗(yàn)證其超流性變得極其困難。

為了打破這一困境，在新的研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新的“納米級(jí)超冷實(shí)驗(yàn)室”：他們將由少量氫分子構(gòu)成的團(tuán)簇限制在氦納米液滴中，并將整體系統(tǒng)冷卻至0.4K。雖然這一溫度低于氫的凝固點(diǎn)，但借助氦納米液滴的作用，氫分子得以維持液態(tài)，從而為觀察其潛在的超流體特性創(chuàng)造了條件。

研究人員將氫分子限制在氦納米液滴中，然后在氫分子中嵌入一個(gè)甲烷分子（左），并使用激光束照射甲烷（右）來(lái)使甲烷旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)來(lái)確定氫的超流性。（圖/Susumu Kuma, RIKEN）

接下來(lái)，研究人員向氫團(tuán)簇中嵌入一個(gè)甲烷（CH?）分子，并使用激光脈沖激發(fā)其旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的甲烷分子的“轉(zhuǎn)動(dòng)光譜”可以成為檢驗(yàn)周圍的氫分子是否成為超流體的理想“探針”。在普通液體中，氫分子會(huì)阻礙甲烷的旋轉(zhuǎn)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)光譜模糊不清；而在超流體環(huán)境下，甲烷能夠無(wú)阻力地旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出銳利清晰的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。

正是通過(guò)這一方法，研究人員首次在微小的液態(tài)氫團(tuán)簇中觀測(cè)到了甲烷的清晰光譜，從而確認(rèn)了周圍的氫分子表現(xiàn)出無(wú)摩擦的量子流動(dòng)行為。研究人員指出，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于1946年Elephter Andronikashvili在超流氦中所進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)驗(yàn)的“微觀版本”——當(dāng)年，他通過(guò)觀測(cè)一個(gè)圓盤在超流氦中的旋轉(zhuǎn)受阻情況，來(lái)測(cè)定超流性。而如今，甲烷分子就相當(dāng)于那個(gè)微縮的圓盤。

氫分子的數(shù)量

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步顯示，氫團(tuán)簇是否展現(xiàn)出超流性，與氫分子數(shù)相關(guān)。當(dāng)氫團(tuán)簇中的氫分子少于6個(gè)時(shí)，甲烷的旋轉(zhuǎn)仍受到摩擦阻力的影響。但當(dāng)氫分子數(shù)量增加至10個(gè)左右，摩擦開(kāi)始顯著減小，甲烷旋轉(zhuǎn)速度加快。尤其是當(dāng)氫聚集至15至20個(gè)時(shí)，甲烷分子的旋轉(zhuǎn)幾乎完全不受阻礙，表明整個(gè)團(tuán)簇已表現(xiàn)出近乎完美的超流性。

這種與團(tuán)簇大小的相關(guān)性和團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的模擬結(jié)果高度一致。他們通過(guò)路徑積分蒙特卡羅模擬，預(yù)測(cè)了當(dāng)團(tuán)簇中的氫分子數(shù)量增加到5個(gè)以上時(shí)，系統(tǒng)中已有超過(guò)60%的氫團(tuán)簇開(kāi)始參與所謂的量子玻色子交換——這是超流性的典型特征。

邁向“無(wú)摩擦”的氫能未來(lái)？

這一研究不僅驗(yàn)證了金茨堡提出的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，也為量子流體研究提供了全新方向。作為宇宙中最豐富的元素之一，氫在能源技術(shù)中扮演著重要角色，尤其是在燃料電池、清潔能源載體和長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。然而，氫在常溫常壓下難以儲(chǔ)存或運(yùn)輸，其低密度和高易燃性始終是工程難題。新研究有望為更高效的氫儲(chǔ)存與清潔能源輸運(yùn)提供新思路。

更重要的是，這項(xiàng)研究為探索量子物質(zhì)與經(jīng)典物質(zhì)的邊界提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。研究人員表示，他們計(jì)劃進(jìn)一步探索更大規(guī)模的氫團(tuán)簇（從20到上百萬(wàn)個(gè)分子），以理解超流性如何隨著系統(tǒng)規(guī)模演變，以及最終是否能在不借助氦液滴的情況下構(gòu)建純氫超流體。此外，他們還計(jì)劃測(cè)試這些氫團(tuán)簇對(duì)外部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的響應(yīng)，探索其在量子控制、信息處理和超導(dǎo)材料中的潛力。

#參考來(lái)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

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Susumu Kuma, RIKEN