Vodík v suchém ledu překvapivě jednoduše ovládá kvantové chování, slibuje lepší palivo i kvantové počítače

Vědci z University of Maryland objevili překvapivě jednoduchý způsob, jak ovládat jaderný spin molekulárního vodíku (H2) pouhým zmrazením v suchém ledu.

Vědci z University of Maryland objevili překvapivě jednoduchý způsob, jak ovládat jaderný spin molekulárního vodíku (H2) pouhým zmrazením v suchém ledu. Tato nová technika, publikovaná v časopise Physical Review Letters, by mohla výrazně zlepšit skladování vodíkového paliva, paměť pro kvantové počítače a schopnost měřit teploty komet ve vesmíru.

Jaderný spin popisuje úhlový moment atomového jádra. Molekulární vodík existuje ve dvou stavech: para-H2, kde se jaderné spiny dvou atomů vodíku navzájem ruší, a ortho-H2, kde se sčítají. Ortho-H2 má navíc tři podstavy definované směrem rotace jádra. Běžně se ortho-H2 při ochlazení přirozeně přeměňuje na nižší energetický stav para-H2. Nová studie však ukazuje, že zmrazení vodíku v krystalech suchého ledu tuto přeměnu u dvou podstav ortho-H2 blokuje.

Klíčem k tomuto jevu je geometrie krystalického suchého ledu. Jeho struktura a symetrie vytvářejí „pravidla“, která musí molekula vodíku dodržovat. Vědci zjistili, že tato pravidla lze uvolnit zavedením oxidu dusičitého do krystalové mřížky, což změní krystalické vlastnosti a umožní všem třem podstavám ortho-H2 přeměnit se na para-H2. Tato schopnost ovládat jaderný spin je významná, protože dosud vyžadovala silná magnetická pole nebo chemické katalyzátory, což je mnohem složitější než jednoduché zmrazení v suchém ledu.

Možnosti využití jsou široké. Americké ministerstvo energetiky by mohlo stabilněji a efektivněji skladovat vodíkové palivo obohacováním určitých jaderných spinových stavů molekulárního vodíku a ochranou jiných, jelikož různé kvantové stavy vodíku vyžadují různé množství energie k zahřátí. Dále by tato zjištění mohla zlepšit astronomická měření. NASA například měří poměry ortho a para vody uvolněné z komet k odhadu teploty, při které se komety formovaly. Nová metoda by mohla pomoci ověřit nebo vyvrátit předpoklady o změnách jaderných spinů v kometách. V neposlední řadě by ochrana kvantových stavů částic mohla vést ke stabilnějším formám paměti pro kvantové počítače, což by přineslo značné výhody díky jednoduchosti experimentálního uspořádání. Ačkoliv je nepravděpodobné, že by se kvantové bity vyráběly z vodíku zmrazeného v suchém ledu, tato průkopnická studie pokládá základy pro budoucí aplikovaný výzkum a definuje základní pravidla pro ochranu kvantových stavů.