网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《Nature》子刊揭秘:降低晶体对称性,如何彻底关闭质子量子隧穿

0
分享至

发表于Nature Communications的论文《Impact of crystal symmetry lowering on proton tunneling》(晶体对称性降低对质子隧穿效应的影响)打破了凝聚态物理与化学领域关于轻原子扩散机制的传统认知。

由东京大学工业科学研究所的 S. S. Das、Takahiro Ozawa与Katsuyuki Fukutani教授领导的合作团队,揭示了晶体结构的对称性如何充当“量子开关”,直接调控质子(氢核)在量子隧穿与经典热跳跃之间的行为转变。



一、 引言:质子动力学中的经典与量子之争

作为质量最轻的原子核,质子(H+)在物理与材料科学中扮演着极其独特的角色。在许多含氢固态材料(如金属氢化物、固态电解质、质子导体)中,质子的迁移速率直接决定了材料的储氢性能或离子电导率。

从物理机制上看,质子在晶格间隙(如四面体位点或八面体位点)之间的扩散主要有两种机制:

  • 经典热激活跳跃:质子依靠晶格热热振动获得能量,克服两侧势阱之间的激活能垒ΔE跃迁至相邻位点。其扩散速率遵循阿伦尼乌斯定律(Arrhenius Law):



在低温环境下,由于 thermal activation 不足,经典跳跃速率会急剧下降。

  • 量子隧穿:凭借极小的质量,质子的德布罗意波长在低温下与晶格常数相当,使其能够像波一样直接“穿越”势垒。量子隧穿使质子在接近绝对零度时仍能保持相当高的扩散效率。

尽管量子隧穿在理论上已被讨论多年,但在真实复杂的固态晶体中,究竟是什么宏观/微观参量决定了质子是表现为“波”还是“粒子”?该论文精准回答了这一问题:晶体的空间对称性。

二、 核心研究发现:对称性作为“量子开关”

研究团队利用钒(V)基金属氢化物作为模型体系,结合了核反应分析(Nuclear Reaction Analysis, NRA)、中子散射以及基于密度泛泛函理论(DFT)的第一性原理量子动力学计算,对不同氢浓度下的质子扩散行为进行了高精度测量。

1. 高对称性晶格(低氢浓度α相):开启量子隧穿

在低氢浓度下,金属钒处于α相,晶格保持着高度对称的体心立方(BCC)结构。

  • 等效路径与能量简并:在 BCC 晶格中,氢原子所占据的四面体间隙具有极高的空间对称性。相邻势阱之间的能量是完全简并的,且方向上的传输通道完全等效。
  • 离域化量子态:在这种对称势场中,质子的波函数能够在相邻势阱间发生相干重叠,形成非局域化的量子态。质子能够以极高的速率通过量子隧穿进行“快捷传输”,其扩散速率对温度的依赖性显著降低。

2. 晶体对称性破缺(高氢浓度β相):抑制量子隧穿

随着氢含量的增加,体系转变为β相。氢原子的有序排列引发了局域应变,使得晶格发生由体心立方(BCC)向体心正方(BCT)的畸变,晶体的空间对称性显著降低。

  • 能量不对称:对称性的降低打破了原本相等价的势阱结构,使得相邻格点之间产生了能量差(Δε)。
  • 波函数定域化与隧穿抑制:非对称势阱严重破坏了质子波函数的相干性,使质子被迫“定域”在能量较低的单个势阱中。量子隧穿效应被强烈抑制,质子传输模式彻底退化为依靠热激发的经典跳跃。

三、 微观理论机制与物理图景

为了进一步阐明对称性降低如何从定量上毁灭量子隧穿,论文构建了晶格-质子耦合势能面模型:

当晶体维持高对称性时,质子与其周围金属原子之间的相互作用势函数具有对称的双势阱特征:

这种对称性保证了重叠积分J达到最大值。

然而,一旦晶格畸变引入了非对称项:

左右势阱的基态能级发生分裂,能量偏差为ΔE_b≈δ·a。根据波包动力学,当能级差ΔE_b远远大于隧穿耦合常数J时,相干隧穿概率 P_tunnel将呈指数级衰减:



这就解释了为什么极微小的晶格结构畸变(对称性降低)就会对量子隧穿产生“毁灭性”的抑制效果。

四、 研究的科学价值与工程指导意义

《Impact of crystal symmetry lowering on proton tunneling》不仅回答了一个凝聚态物理的基本问题,也为材料工程提供了明确的微观设计准则:

  1. “对称性工程”(Symmetry Engineering)设计导向:在开发低温高效质子导体(如固态燃料电池电解质)或新型固态储氢材料时,传统的思路往往侧重于降低激活能垒。而该研究表明,维持材料高对称性的晶体结构同样重要——只有保持高对称性,才能充分激活质子量子隧穿这一“加速通道”。
  2. 解释氢致脆化与局域俘获机制:研究结论揭示了金属材料中氢扩散的局域化过程。在缺陷或晶界附近,由于应变场导致局域对称性破缺,质子会被“卡”在畸变产生的低能势阱中,从量子传输模式转变为局域俘获,这为理解氢致脆化的微观过程提供了理论支撑。

论文通过严谨的实验与第一性原理量子计算,确立了晶体对称性在轻原子量子动力学中的关键支配地位,是凝聚态物理与氢能材料交叉领域的一项重要突破。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
中央批准,五人职务调整

中央批准,五人职务调整

南安融媒
2026-11-13 01:53:50
76人大胜!恩比德20+4+3,赛后老詹先一步退场,马克西抱着女儿接受采访

76人大胜!恩比德20+4+3,赛后老詹先一步退场,马克西抱着女儿接受采访

担酒
2026-11-13 10:33:25
没带课本就往死里打?8岁留守女童被班主任关办公室暴打20分钟,打到骨折抽搐,右手骨折浑身淤青,官方介入

没带课本就往死里打?8岁留守女童被班主任关办公室暴打20分钟,打到骨折抽搐,右手骨折浑身淤青,官方介入

秋风妃
2026-11-12 21:44:50
今日重要赛事!11月13日,央视CCTV5、CCTV5+节目表

今日重要赛事!11月13日,央视CCTV5、CCTV5+节目表

薇说体育
2026-11-13 10:41:47
再不跑全无了:俄罗斯轰炸机集体东迁,还是接壤中国的远东最安全

再不跑全无了:俄罗斯轰炸机集体东迁,还是接壤中国的远东最安全

影孖看世界
2026-11-10 20:55:13
内娱终于出了一个可怕的演员,兰西雅, 不是说她的长相,而是她一个人居然可以把一部戏从唱歌到演戏全包了,还做得很好

内娱终于出了一个可怕的演员,兰西雅, 不是说她的长相,而是她一个人居然可以把一部戏从唱歌到演戏全包了,还做得很好

一盅情怀
2026-11-11 15:44:49
不出意外,2027年1月起,中国或将迎来4大涨价潮,提前了解不吃亏

不出意外,2027年1月起,中国或将迎来4大涨价潮,提前了解不吃亏

专业聊房君
2026-11-10 17:19:38
金价银价,大跌!

金价银价,大跌!

环球网资讯
2026-11-13 09:22:23
中国经济样本观察·“镇”了不起|从戏服到汉服,5万人小镇“绣”出百亿元“华裳产业”

中国经济样本观察·“镇”了不起|从戏服到汉服,5万人小镇“绣”出百亿元“华裳产业”

新华社
2026-11-11 08:50:07
13岁熊孩子故意锁死"旋转秋千"游乐设施!致高速运转失控!有人被甩飞重伤…

13岁熊孩子故意锁死"旋转秋千"游乐设施!致高速运转失控!有人被甩飞重伤…

特种设备安全科普
2026-11-12 05:20:10
我是副高五级,工龄38年9个月,25年5月份退休,养老金预发15600,年终发6500过节费

我是副高五级,工龄38年9个月,25年5月份退休,养老金预发15600,年终发6500过节费

伦纳德之家
2026-11-12 22:47:24
台专家曾警告:如果大陆武统台湾,将毁灭500个城市,1.4亿人死亡

台专家曾警告:如果大陆武统台湾,将毁灭500个城市,1.4亿人死亡

只能离开
2026-11-11 22:13:42
北京八宝山,数万坟位期满却无人再缴,并非儿孙不孝,实在是家里兜不住了

北京八宝山,数万坟位期满却无人再缴,并非儿孙不孝,实在是家里兜不住了

扶苏聊历史
2026-11-04 18:20:53
一则国企校招上岸截图走红!岗位为成都总部生产技术岗,家庭晒喜讯,三方协议争议刷屏评论区

一则国企校招上岸截图走红!岗位为成都总部生产技术岗,家庭晒喜讯,三方协议争议刷屏评论区

火山詩话
2026-11-13 09:56:20
姑娘深夜在小区遭陌生男子猥亵,还盯着她笑……3个外卖小哥发现后冲了上去!“遇到这种事要勇敢喊出来”

姑娘深夜在小区遭陌生男子猥亵,还盯着她笑……3个外卖小哥发现后冲了上去!“遇到这种事要勇敢喊出来”

都市快报橙柿互动
2026-11-13 03:30:10
想钱想疯了!记者把燃气灶里的电池换成没电的,然后通过啄木鸟平台下单报修,结果5个师傅只有2个说了实话

想钱想疯了!记者把燃气灶里的电池换成没电的,然后通过啄木鸟平台下单报修,结果5个师傅只有2个说了实话

扶苏聊历史
2026-11-12 16:31:35
他们“死的”,一点不冤

他们“死的”,一点不冤

美第奇效应
2026-11-11 23:17:21
网传物业费会成为压死失业人群的最后一根稻草…

网传物业费会成为压死失业人群的最后一根稻草…

慧翔百科
2026-11-12 11:33:59
1927年,毛泽东被捕后,在被押解去执行死刑的途中,他突然对一名团丁说:“老哥,我腿疼,可能伤筋了!”

1927年,毛泽东被捕后,在被押解去执行死刑的途中,他突然对一名团丁说:“老哥,我腿疼,可能伤筋了!”

扶苏聊历史
2026-11-06 18:18:35
厦金大桥厦门段顺利合龙,大陆表态:不管台方态度,工程持续推进

厦金大桥厦门段顺利合龙,大陆表态:不管台方态度,工程持续推进

辉哥说动漫
2026-11-13 07:13:10
2026-11-13 15:20:49
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1557文章数 808关注度
往期回顾 全部

科技要闻

黄仁勋辞职,马斯克们抱不平!

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

体育要闻

28年前的“点球罪人”,把冠军带回大连

娱乐要闻

黄仁勋与黄乐合照曝光,吃饭氛围暧昧

财经要闻

72岁王健林重回“一号位”

汽车要闻

限时权益价8.88万 吉利星愿STAR限定系列发布

态度原创

旅游
本地
房产
健康
公开课

旅游要闻

直播间低价旅游卡兑现难 文旅消费陷阱如何破?

本地新闻

乌兰察布:以前种土豆,现在种Token

房产要闻

十年长草!三亚这个豪宅盘,爆出新消息!

痘痘长到25岁还没完?查查内分泌

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版