Китайские физики обнаружили, что квантовый эффект туннелирования частиц может проявляться на макроскопическом масштабе – в водяном льде, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physical Chemistry Letters.

Законы квантовой механики начинают работать только на масштабах, сопоставимых с размерами атомов и молекул, однако есть случаи, когда квантовые эффекты начинают сказываться на поведении макроскопических систем. В числе макроскопических квантовых эффектов – сверхпроводимость, сверхтекучесть, квантовый эффект Холла.

Теперь китайские ученые обнаружили новый макроскопический квантовый эффект: коллективное туннелирование протонов в охлажденном до низких температур водяном льде, что меняет его диэлектрические характеристики.

Когда вода замерзает, атомы кислорода выстраиваются в шестиугольные структуры. В то же время атомы водорода могут перемещаться относительно свободно. Процесс замерзания регулируется двумя правилами: только один атом водорода может размещаться между двумя атомами кислорода; каждый атом кислорода может быть связан с четырьмя атомами водорода – с двумя – короткой ковалентной связью, и еще с двумя – относительно слабой и «длинной» водородной связью. Из-за разной длины связей между атомами кислорода есть два «посадочных места», доступных для одиночного атома водорода (который потерял свой электрон и стал просто протоном).

При достаточно высокой температуре (выше 136 кельвинов) протоны имеют достаточно энергии, чтобы перемещаться между этими двумя точками. Но когда температура падает ниже 136 кельвинов, протоны больше не имеют достаточно энергии и случайным образом замерзают в одной из этих мест.

Однако исследователи обнаружили, что протоны на самом деле могут двигаться между двумя этими точками, даже при очень низкой температуре – менее 20 кельвин. Поскольку протоны не могут двигаться классическим образом – они не имеют достаточно энергии, следовательно они перемещаются за счет квантового туннелирования сквозь барьер.

Тянь Гао и его коллеги провели серию экспериментов, в которых они измеряли диэлектрическую постоянную куска льда, помещенного в криостат. Эксперимент показал, что мнимая компонента диэлектрической проницаемости льда становится максимальной при температуре около 20 кельвин, а действительная часть остается постоянной.

Физическое значение этой аномалии может быть интерпретировано как рост подвижности зарядов – другими словами, протоны начинают двигаться, что может быть объяснено только если предположить, что протоны туннелируют. При этом правила льда запрещают перемещение с места на места одиночных протонов, возможно только перемещение шести протонов в гексагональный структуре – это означает, что протоны туннелируют одновременно.

Но такое одновременное туннелирование порождает другую проблему: в соответствии с законами квантовой механики, протоны должны иметь одну волновую функцию и одно и то же основное состояние. Это нарушает принцип исключения Паули, согласно которому два идентичных фермиона не могут иметь одно и то же квантовое состояние.

Поэтому ученые предположили, что протоны туннелируют парами, поскольку пара протонов могут вести себя как бозоны – это похоже на механизм сверхпроводимости, обусловленный формированием куперовских пар электронов, которые «работают» как бозоны.