超流性是一種宏觀量子現象，以流體無摩擦流動為特征。自 20 世紀初在液態氦中發現以來，就一直吸引著物理學家。這種奇特的物質狀態，源于極低溫度下玻色子的集體量子行為，挑戰著經典直覺。雖然超流性已在包括超冷原子氣體在內的各種系統中觀察到，但在分子氫 (H?) 中觀察到超流性的探索一直是一項漫長而充滿挑戰的工作。最近一項開創性的研究，聚焦于限制在氦納米液滴內的氫分子簇，為分子超流性提供了令人信服的實驗證據。

分子氫中超流性的理論預測源于其玻色子性質。仲氫 (pH?)，即總核自旋為零的氫的自旋異構體，表現為玻色子。與氦-4 原子（也是玻色子）類似，pH? 分子預計在足夠低的溫度下會發生玻色-愛因斯坦凝聚，從而導致超流行為。然而，本體氫的預測超流轉變溫度（約為 1-2 K）遠低于其凝固點（13.8 K），這使得直接觀察本體超流氫極其困難。這一挑戰促使研究人員探索替代途徑，而有限尺寸的分子簇已成為有希望的研究對象。通過將氫分子限制在小簇中，可以抑制凝固點，從而有可能在高于本體凝固點的溫度下觀察到超流性。

最近發表在《科學進展》上的實驗突破，利用了一種稱為高分辨率氦納米液滴光譜學的先進技術來探測氫分子簇的行為。通過將氦氣膨脹到真空中形成氦納米液滴，為研究嵌入其中的分子和分子簇提供了一個超冷（約為 0.4 K）且惰性的環境。在這項實驗中，研究人員將仲氫氣體引入氦納米液滴中，導致氫分子的小簇在液滴內形成。為了探測這些氫分子簇的性質，還引入了一個甲烷分子并嵌入到簇中。

在該系統中檢測超流性的關鍵在于觀察嵌入的甲烷分子的旋轉行為。在正常流體中，分子的旋轉會受到周圍介質粘度的阻礙。然而，在超流體中，由于沒有粘度，可以實現無摩擦流動。因此，如果圍繞甲烷分子的氫分子簇是超流的，那么甲烷分子應該表現出量子化的自由旋轉，就像在真空中一樣。

實驗結果令人矚目。高分辨率紅外光譜清晰地揭示了嵌入的甲烷分子的完全量子化的旋轉態。光譜線很尖銳，并且由于與周圍氫分子的相互作用而產生的展寬極小，這表明甲烷幾乎在自由旋轉。這一觀察結果強烈表明氫分子簇表現為超流體，允許甲烷分子無阻力地旋轉。

此外，研究人員還研究了甲烷的旋轉常數對氫分子簇大小的依賴性。他們發現，隨著簇尺寸的增加，旋轉常數減小，但其減小程度遠小于如果整個氫分子簇都剛性地附著在甲烷上時的預期。這種行為與路徑積分蒙特卡羅模擬的預測一致，該模擬表明只有一部分氫分子參與了超流流動。模擬結果表明，超過 60% 的氫分子參與了量子玻色子交換，這是超流性的一個特征。

這一實驗證據為在這些簇中 0.4 K 溫度下分子氫的超流相的存在提供了強有力的支持。觀察到這種難以捉摸的物質狀態為進一步研究量子流體的基本性質開辟了令人興奮的可能性。在分子水平上理解超流氫的行為可以為玻色-愛因斯坦凝聚的本質以及分子間相互作用和量子力學之間的相互作用提供寶貴的見解。

除了基礎科學之外，在氫分子簇中發現分子超流性可能對未來的技術產生重大影響。氫是一種很有前途的清潔能源載體，但其儲存和運輸面臨著相當大的挑戰。超流氫具有無摩擦流動和潛在的增強導熱性等獨特性能，可能為解決這些挑戰提供新的方法。例如，超流氫可能使更高效、更經濟的氫氣運輸管道或用于高密度氫氣儲存的新方法成為可能。

然而，重要的是要注意，觀察到的超流性是在極低溫度下的納米級簇中發生的。將這些發現轉化為宏觀應用還需要進一步的研究和技術進步。未來的研究可能會側重于探索更大的簇尺寸，研究超流相的轉變溫度和其他性質，并探索制造和操作更大數量超流氫的潛在方法。