Kostka ledu umí i kvantové fenomény. Kredit: Lusilier / Wikimedia Commons.

Když voda zamrzá do ledu, tak se přitom atomy kyslíku, uspořádávají do mřížky podobné soustavě šestiúhelníků. Atomy vodíku naproti tomu zůstávají poněkud neuspořádané. Proces mrznutí přitom ovládají jednoduchá pravidla mrznutí (anglicky ice rules). Podle těchto pravidel může být vždy jen jeden atom vodíku mezi dvěma atomy kyslíku, zatímco každý atom kyslíku může být vázán ke čtyřem atomům vodíku, vazbami dvou různých délek.

Shanghai University of Electric Power. Kredit: Study in China.

Kvůli těmto vazbám dvou různých délek jsou mezi každým párem atomů kyslíku dvě různá místa vhodná pro umístění jednoho atomu vodíku (který je v tomto případě očesán o elektron a stává se protonem). Za teplot vyšších než 136 kelvinů (čili mínus 137,15 °C) mají tyto protony (tedy vodíky) v ledu dost energie k pohybu mezi dvěma zmíněnými vhodnými místy mezi párem atomů kyslíku. Když ale teplota klesne pod inkriminovaných 136 kelvinů, tak protony už na takové hemžení nemají energii a náhodně zatuhnou v jednom ze dvou možných míst. Přesněji řečeno, vědci si to doteď mysleli.

Vodíky (modře) střídají pozice mezi kyslíky (červeně). Kredit Yen & Gao (2015), American Chemical Society.

Čínští badatelé Fei Yen z Čínské akademie věd a Tian Gao z Šanghajské univerzity elektrické síly právě publikovali výzkum, při němž objevili podivné chování ledu při teplotách blízkých 20 kelvinům (tedy mínus 253,15 °C). Podle nich lze tuto anomálii nejlépe vysvětlit kvantovým tunelováním (quantum tunelling) mnoha protonů současně. Jestli mají pravdu, tak se jedná o vzácný případ kvantového fenoménu, který se projevuje v makroskopickém měřítku. A co víc, po supravodivosti je to teprve druhý případ makroskopického kvantového fenoménu pozorovaného v systému založeném na fermionech, čili protonech, elektronech a dalších hmotných částicích. Makroskopické kvantové jevy jsou totiž jinak k vidění v systémech založených na fotonech, tedy bosonech, které, jak známo, žádnou hmotnost nemají.

Zjednodušeně řečeno, pohyb nábojů v ledu se zvyšuje za teploty 20 K a nižší. Kredit: Yen & Gao (2015), American Chemical Society.

Yen a Gao přišli na to, že se protony v ledu při teplotě 20 kelvinů a nižší ve skutečnosti opět pohybují mezi dvěma možnými místy výskytu mezi páry atomů kyslíku. Běžným způsobem to dělat nemohou, schází jim k tomu energie. Kvantovým tunelováním to ale zvládnou. Tento jev je sice vyvolaný vlnovou povahou částic, která se projevu ve kvantovém měřítku a nefunguje na makroskopické úrovni, Yen a Gao ale názorně předvedli, že kombinované efekty mnoha kvantových tunelování mohou být pozorovány a také změřeny i v makroskopickém světě.

Autoři studie přitom využili trik, spočívající ve měření dielektrických vlastností ledu. Led je, jak známo, dielektrikum, tedy nevodič. V přítomnosti elektrického pole se ale jeho molekuly polarizují a mohou se projevovat v elektrickém poli. Yen a Gao zkoumali dielektrické vlastnosti ledu tak, že do ledu v teflonové komoře umístili dva platinové plíšky a celé to důkladně zmrazovali. Při teplotě 20 kelvinů a nižší objevili anomálii v dielektrickém chování ledu, kterou lze vysvětlit právě zdánlivě nemožným pohybem protonů v ledu. Kromě toho zjistili, že zmíněné chování souvisí s použitým izotopem vodíku. V těžkém ledu, tedy ledu v němž je vodík zastoupený deuteriem, totiž žádné podobné chování vodíku nepozorovali. 

Nadšení vědci nehodlají zůstat u pozorování vodního ledu a chystají se  pozorované kvantové fenomény hledat i v dalších systémech. Podle nich se mohou vyskytovat v dalších molekulách s atomy vodíku, když budou vystaveny podobně extrémním teplotám. Prozatím si ale stále hrají s vodním ledem, který je pro ně podle všeho dostatečným zdrojem zábavy. Zkoumají ho za vysokých tlaků, při nichž led krystalizuje jiným způsobem a zjišťují, zda to má na makroskopické kvantové jevy nějaký vliv.



Literatura
Phys.Org 21. 7. 2015, Journal of Physical Chemistry Letters 6: 2822–2825, Wikipedia (Ice rules, Quantum tunnelling).