钒内部一处隐秘的结构转换机制，决定了氢究竟是以粒子形态运动，还是以量子波的形式存在。这一发现有望为研发精度更高的储氢材料提供指导。

钒晶体结构的对称性，如同一个开关，掌控着氢的量子行为。

在钒晶体内部，氢存在两种截然不同的运动方式：它既可以作为常规粒子，需要积攒足够能量才能在不同位点间跃迁；也能表现为量子波，直接穿透能量势垒。如今科研人员已经找到了决定氢选取哪种运动模式的结构变化机制。

随着清洁能源领域对安全储氢、输氢材料的需求不断攀升，这项研究意义重大。钒是极具潜力的候选材料：它极易吸附氢原子，且氢原子能够在其晶格内部自由穿梭，但此前科学界始终无法解释氢运动状态发生转变的内在缘由。

东京大学工业科学研究所的研究团队，将氢的结构表征、扩散观测数据与量子力学计算相结合开展研究。相关成果发表于《自然·通讯》期刊。研究证实：钒晶体的对称性，决定了氢呈现经典物理特性还是量子物理特性。

对称性决定氢的运动路径

氢在钒晶体中穿梭时，会在晶格内部微小空隙位点间移动。

经典运动模式：氢原子必须获取充足热能，才能翻越相邻位点之间的能量势垒。

而量子力学赋予了氢另一种运动形式：量子隧穿效应。此时氢化作波态，无需翻越势垒，便可直接穿透过去。厘清这种状态切换的调控因素，能够助力科学家设计出储氢效率更高、可精准调控氢扩散速率的新型材料。

论文通讯作者小泽贵弘表示：“我们的研究证实，晶体对称性是调控氢量子行为的核心关键。高度对称的晶格结构会允许氢发生量子隧穿；晶格结构一旦畸变，隧穿效应就会被抑制。”

氢浓度较低时，钒晶格能够维持高度对称状态。在此条件下，相邻晶格位点结构完全等同，氢原子可借助隧穿效应在位点间穿梭，形成跨越多个原子位点的离域量子态。

氢的经典态与量子态

东京大学工业科学研究所研究团队揭秘：晶体对称性决定氢遵循经典物理规律还是量子物理规律运动。图片来源：东京大学工业科学研究所

当更多氢原子渗入钒材料后，晶格结构便会发生畸变。对称性消失后，量子隧穿所需的等效通路不复存在，氢转而以经典粒子的形式运动，只能依靠热能完成位点间的跳跃迁移。

资深作者福谷克之解释道：“晶体对称性就是开启或关闭氢量子行为的底层开关。对称晶格中存在等效通道，支撑氢原子隧穿跃迁；氢浓度升高引发晶格畸变后，隧穿效应遭到压制，氢只能依靠热能在不同位点间跳跃移动。”

原子层级调控，助力储氢材料升级

该研究表明，科研人员可通过精准设计、调控材料的晶体对称性，实现对氢运动方式的人为管控。微调材料内部晶体结构，就能自主选择氢的传输方式：要么依靠量子隧穿快速扩散，要么依靠温度驱动的跳跃缓慢迁移。

第一作者苏德汉苏·谢卡尔·达斯谈到：“掌握调控氢存在形态的技术，能够大幅优化储氢、控氢扩散材料的性能。这些技术突破将惠及氢能储运、氢气提纯等各类氢能应用场景。”

随着氢能技术持续发展，精准管控储氢、输氢材料内部的单个氢原子将愈发关键。该研究明确了晶体对称性是氢经典运动与量子运动的切换枢纽，为研发高精度氢能管控材料奠定了清晰的理论基础。

Reference: “Impact of crystal symmetry lowering on proton tunneling” by S. S. Das, T. Ozawa, T. Kawauchi, H. Nakanishi and K. Fukutani, 15 July 2026, Nature Communications.

支持单位：