Как ионы водорода текут сквозь твёрдый кристалл экспресс
В твёрдом кристалле, похожем на слоёный пирог из атомов лантана, кислорода и водорода, электричество переносят не электроны, а сами ионы водорода. Обычно ион в кристалле сидит в своей ячейке, как горошина в стручке, и лишь изредка перескакивает в соседнюю пустую ячейку. Но в этом материале всё иначе.
Физики облучили кристалл субатомными частицами — мюонами, которые заняли места между атомами и «почувствовали» движение соседей. Оказалось, вокруг 160 градусов Кельвина (около минус 113 по Цельсию) ионы водорода начинают двигаться согласованно, как молекулы в густой патоке. Их прыжки зависят от наличия свободных мест рядом: нет пустой ячейки — нет прыжка.
Это противоречие навело учёных на мысль, что при нагреве ионы водорода перестают вести себя как отдельные частицы и превращаются в подобие вязкой жидкости, которая «замерзает» при охлаждении, как стекло. Такое поведение объясняет, почему кристалл так хорошо проводит ток ионами водорода.
Теперь понятнее, как устроены твёрдые электролиты с водородом. Если научиться управлять этой «жидкостью» внутри кристалла, можно создать батареи и топливные элементы, которые работают быстрее и надёжнее.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.00852
We performed muon spin rotation and relaxation ($$\mu$$SR) experiments to investigate the microscopic mechanism behind the high ionic conductivity ($$\sigma$$) exhibited by hydride (H$$^-$$) ions in lanthanum hydroxide LaH$$_{3-2x}$$O$$_x$$. The $$\mu$$SR spectra observed at 5--300 K in a sample with $$x\approx0.25$$ consist primarily of two components which are attributed to muons occupying tetrahedral (Tet) and octahedral (Oct) sites common to H$$^-$$. The spectra also indicate that muons at the Oct sites (Mu$$_{\rm O}$$) appear nearly stationary in the time scale of $$\mu$$SR ($$\sim$$10$$^{-5}$$ s), whereas those at the Tet sites (Mu$$_{\rm T}$$) are subject to the fluctuating local fields. The cusp-like peak in the fluctuation rate around 160 K and the decrease in linewidth at higher temperatures probed by Mu$$_{\rm T}$$ suggest that the jump motion of both Mu$$_{\rm T}$$ (via the vacant Oct sites) and surrounding Oct-site H$$^-$$ contributes to spin relaxation and that the fluctuation frequency is widely distributed. These results indicate that the implanted Mu behave as Mu$$^-$$ and that the jump motion of Mu$$^-$$/H$$^-$$ is restricted by the availability of nearby vacant sites. On the other hand, the activation energy for the jump is estimated to be 0.11(3) eV, which is significantly different from $$\sim$$1.3 eV evaluated from the temperature dependence of $$\sigma$$ at high temperatures ($$\gtrsim400$$ K). In our attempt to resolve this discrepancy, we discuss problems inherent in interpreting $$\sigma$$ using the Arrhenius equation, and demonstrate that the behavior of H$$^-$$ ions can be better explained as a viscous fluid exhibiting a glass transition.
Мюон, которым «просвечивали» кристалл, живёт всего две миллионные доли секунды, но за это время успевает рассказать о движении соседних ионов.
В романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» инопланетный корабль использует твёрдые материалы с необычной внутренней текучестью — чем-то похоже на этот кристалл.