Em ambientes de baixa temperatura, o movimento dos átomos de hidrogênio se aproxima mais de características ondulatórias, tornando possível o fenômeno de tunelamento quântico. Compreender como os átomos de hidrogênio atravessam barreiras energéticas tem grande valor em aplicações industriais. No entanto, devido ao tamanho extremamente pequeno do hidrogênio, a observação direta de seu movimento é muito difícil.

Recentemente, a revista Science Advances publicou um estudo em que pesquisadores do Instituto de Ciências Industriais da Universidade de Tóquio detectaram com precisão o tunelamento quântico de átomos de hidrogênio em paládio. O paládio pode absorver hidrogênio, organizando seus átomos em uma estrutura cúbica repetitiva tridimensional. Os átomos de hidrogênio podem ocupar posições intersticiais do paládio na forma de octaedros ou tetraedros. O hidrogênio se estabiliza em posições octaédricas, podendo transitar por posições tetraédricas metaestáveis para alcançar outro sítio octaédrico, superando uma barreira de energia. Em altas temperaturas, os átomos de hidrogênio possuem energia cinética suficiente para essa transição; em baixas temperaturas, devido a efeitos quânticos, a transição também ocorre, necessitando da ajuda de fônons ou elétrons condutores.

O primeiro autor do artigo, Takahiro Ozawa, explicou que, para compreender as propriedades quânticas do hidrogênio, é necessário determinar seus caminhos de transição. Devido à pequena seção transversal do hidrogênio, métodos típicos de detecção são ineficazes. A equipe utilizou análise de reação nuclear de canal para localizar o hidrogênio na rede de paládio. O estudo revelou que os átomos de hidrogênio inicialmente ocupam posições tetraédricas metaestáveis no paládio e, em seguida, transferem-se para posições octaédricas estáveis por meio do efeito de tunelamento, sendo a taxa de tunelamento quantificada pela medição da condutividade elétrica. O autor sênior, Katsuyuki Fukutani, afirmou que acima de 20 K, a taxa de tunelamento aumenta levemente com a temperatura, característica do efeito dos fônons; abaixo de 20 K, a taxa diminui levemente, indicando que os elétrons condutores não acompanham perfeitamente o movimento do hidrogênio. Este estudo aprofunda a compreensão das propriedades quânticas da difusão do hidrogênio, fornecendo base para o desenvolvimento de tecnologias que controlam o comportamento de átomos com efeitos quânticos.