Одноосное сжатие решетки ванадия подавило квантовое туннелирование протона
Японские ученые выяснили, что одноосное сжатие кристаллической решетки ванадия подавляет квантовое туннелирование протонов, заставляя водород диффундировать через тепловые прыжки. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Ученые из Токийского университета под руководством Такехиро Озавы изучали диффузию водорода в ванадии при температурах ниже 70 кельвин. Они обнаружили, что в кубической α-фазе металла атомы водорода туннелируют между тетраэдрическими позициями с коэффициентом диффузии не менее 10¹² квадратных сантиметров в секунду даже при 35 кельвин. Однако в одноосно деформированной β-фазе туннелирование подавляется, и диффузия происходит через тепловые прыжки между октаэдрическими позициями с энергией активации 148 миллиэлектронвольт.
Ванадий считается одним из наиболее перспективных металлов для хранения водорода, так как способен поглощать его экзотермически и накапливать в больших объемах. Водород, обладая наименьшей атомной массой, демонстрирует квантовые эффекты при низких температурах, когда термический надбарьерный переход подавлен. Туннелирование — это процесс, при котором частица преодолевает потенциальный барьер, который в классическом понимании непреодолим. Этот эффект наиболее заметен в металлах с объемно-центрированной кубической решеткой, где расстояния между межузельными позициями меньше.
Для эксперимента ученые создали эпитаксиальную пленку ванадия толщиной 40 нанометров на подложке оксида магния и при температуре 35 кельвин имплантировали в нее ионы водорода с энергией 500 электронвольт. При низких концентрациях водород проникает в вакансии решетки, сохраняя кубическую α-фазу. При более высоких концентрациях, около 0,3–0,6 атома на атом металла, происходит переход в β-фазу, что и приводит к подавлению туннелирования.
