在低温下，氢原子的运动更像波动而不是粒子。这一特性使得量子隧穿现象成为可能，即原子通过一个具有比氢原子能量更高的势能障碍。理解氢原子如何穿越势能障碍在工业上具有重要应用。然而，氢原子体积小，直接观察其运动非常具有挑战性。

在一项发表在《科学进展》上的研究中，东京大学工业科学研究所的研究人员报告了在钯金属中精确检测到氢原子的量子隧穿。

钯是一种能吸收氢的金属。钯原子以重复的三维立方体结构排列，这种结构称为晶格。氢原子可以通过占据大钯原子之间的间隙进入这个晶格。这些间隙呈八面体和四面体形状。氢在八面体间隙中稳定存在，并可以通过一个四面体间隙跳跃到另一个八面体间隙，而四面体间隙是亚稳态的，也就是说比八面体间隙不稳定。

在间隙之间的跳跃取决于系统温度，这反映了原子的平均动能。间隙之间的跳跃需要克服一个能量障碍。在高温下，氢原子有足够的动能进行跳跃。

然而，氢原子的跃迁在低温下也可以发生，这是由于量子效应。也就是说，氢原子像波一样，可以通过量子隧穿越过能量障碍。为了做到这一点，氢原子需要声子——晶格的振动——或导电电子的帮助，导电电子是钯金属中自由移动的电子。

“要理解氢的量子特性，我们需要确定跃迁的路径，”首席作者小泽隆宏解释道。“典型的探测手段，如X射线和电子束，无法用于检测氢，因为氢的截面很小。因此，我们采用了通道核反应分析法来定位钯晶格中的氢。”

团队指出，注入钯中的氢原子们首先占据了亚稳态的四面体位点，然后通过隧穿移动到稳定的八面体位点。隧穿速率是通过测量电导率来量化的，为隧穿的发生方式提供了重要线索。

“在20 K以上，隧穿速率随着温度的升高略有上升，这表明了声子效应的影响，”资深作者福谷胜幸表示。“不过，在20 K以下，隧穿速率随着温度的升高略有下降，这表明导电电子的参与，而它们无法完美地跟随氢原子的运动。”

研究团队的发现加深了我们对氢扩散的量子性质的理解，并为开发基于量子效应的原子行为控制技术铺平了道路。