东京大学工业科学研究所的研究人员发现，晶体对称性作为一个基本开关，控制着氢原子在钒中是通过经典跳跃还是量子隧穿移动。这一发现发表在《自然·通讯》上，可为清洁能源应用设计更好的储氢材料提供指导。
氢是重工业的一种有前景的燃料，但安全储存仍然是一个重大挑战。钒合金可吸收高达其重量3.8%的氢，使其成为最实用的固态储氢材料之一。氢分子在合金内部分裂，占据晶格中的间隙位置。准确理解氢如何在该晶格中移动，是优化吸收和释放的关键。
东京团队将氢行为的结构测量与钒晶格内的量子力学计算相结合。他们发现，根据晶体结构的不同，氢在间隙位置之间的移动有两种根本不同的方式。在高度对称的晶格中（通常在低氢浓度下），氢原子可以通过量子隧穿穿越能量壁垒，实际上走了一条绕过经典路径的”量子捷径”。当晶格在较高氢浓度下发生扭曲时，这种隧穿效应受到抑制，氢必须依靠热能来以经典方式在位置之间跳跃。
“晶体对称性是开启或关闭量子行为的底层开关，”领导这项研究的福谷克之教授说。”在对称结构中，氢能找到允许其在位置之间隧穿的等效路径。扭曲这种对称性，就像在较高氢浓度下发生的那样，隧穿效应就会被抑制。”
这一发现给材料科学家提供了一个清晰的设计参数：控制存储材料的对称性以启用或禁用量子隧穿，取决于快速吸收还是稳定储存是优先考虑。对于氢动力汽车和工业储能来说，当加油速度和储存安全性都很重要时，这种调节能力可能至关重要。
来源：Scientists crack ‘quantum shortcut’ controlling hydrogen behavior in vanadium（Interesting Engineering，2026年7月15日）；Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-026-75020-w）
婷 翻译