超流性是一种宏观量子现象，以流体无摩擦流动为特征。自 20 世纪初在液态氦中发现以来，就一直吸引着物理学家。这种奇特的物质状态，源于极低温度下玻色子的集体量子行为，挑战着经典直觉。虽然超流性已在包括超冷原子气体在内的各种系统中观察到，但在分子氢 (H₂) 中观察到超流性的探索一直是一项漫长而充满挑战的工作。最近一项开创性的研究，聚焦于限制在氦纳米液滴内的氢分子簇，为分子超流性提供了令人信服的实验证据。

分子氢中超流性的理论预测源于其玻色子性质。仲氢 (pH₂)，即总核自旋为零的氢的自旋异构体，表现为玻色子。与氦-4 原子（也是玻色子）类似，pH₂ 分子预计在足够低的温度下会发生玻色-爱因斯坦凝聚，从而导致超流行为。然而，本体氢的预测超流转变温度（约为 1-2 K）远低于其凝固点（13.8 K），这使得直接观察本体超流氢极其困难。这一挑战促使研究人员探索替代途径，而有限尺寸的分子簇已成为有希望的研究对象。通过将氢分子限制在小簇中，可以抑制凝固点，从而有可能在高于本体凝固点的温度下观察到超流性。

最近发表在《科学进展》上的实验突破，利用了一种称为高分辨率氦纳米液滴光谱学的先进技术来探测氢分子簇的行为。通过将氦气膨胀到真空中形成氦纳米液滴，为研究嵌入其中的分子和分子簇提供了一个超冷（约为 0.4 K）且惰性的环境。在这项实验中，研究人员将仲氢气体引入氦纳米液滴中，导致氢分子的小簇在液滴内形成。为了探测这些氢分子簇的性质，还引入了一个甲烷分子并嵌入到簇中。

在该系统中检测超流性的关键在于观察嵌入的甲烷分子的旋转行为。在正常流体中，分子的旋转会受到周围介质粘度的阻碍。然而，在超流体中，由于没有粘度，可以实现无摩擦流动。因此，如果围绕甲烷分子的氢分子簇是超流的，那么甲烷分子应该表现出量子化的自由旋转，就像在真空中一样。

实验结果令人瞩目。高分辨率红外光谱清晰地揭示了嵌入的甲烷分子的完全量子化的旋转态。光谱线很尖锐，并且由于与周围氢分子的相互作用而产生的展宽极小，这表明甲烷几乎在自由旋转。这一观察结果强烈表明氢分子簇表现为超流体，允许甲烷分子无阻力地旋转。

此外，研究人员还研究了甲烷的旋转常数对氢分子簇大小的依赖性。他们发现，随着簇尺寸的增加，旋转常数减小，但其减小程度远小于如果整个氢分子簇都刚性地附着在甲烷上时的预期。这种行为与路径积分蒙特卡罗模拟的预测一致，该模拟表明只有一部分氢分子参与了超流流动。模拟结果表明，超过 60% 的氢分子参与了量子玻色子交换，这是超流性的一个特征。

这一实验证据为在这些簇中 0.4 K 温度下分子氢的超流相的存在提供了强有力的支持。观察到这种难以捉摸的物质状态为进一步研究量子流体的基本性质开辟了令人兴奋的可能性。在分子水平上理解超流氢的行为可以为玻色-爱因斯坦凝聚的本质以及分子间相互作用和量子力学之间的相互作用提供宝贵的见解。

除了基础科学之外，在氢分子簇中发现分子超流性可能对未来的技术产生重大影响。氢是一种很有前途的清洁能源载体，但其储存和运输面临着相当大的挑战。超流氢具有无摩擦流动和潜在的增强导热性等独特性能，可能为解决这些挑战提供新的方法。例如，超流氢可能使更高效、更经济的氢气运输管道或用于高密度氢气储存的新方法成为可能。

然而，重要的是要注意，观察到的超流性是在极低温度下的纳米级簇中发生的。将这些发现转化为宏观应用还需要进一步的研究和技术进步。未来的研究可能会侧重于探索更大的簇尺寸，研究超流相的转变温度和其他性质，并探索制造和操作更大数量超流氢的潜在方法。