image: Schematic illustration of hydrogen transport in lanthanum trihydride. The purple and green curves represent the potential energy surfaces of the concerted and single-ion migrations, respectively. The dotted arrows indicate the thermally activated migration picture, in which hydrogen must overcome the energy barrier to migrate. The solid arrows demonstrate the quantum tunneling picture where quantum fluctuations dominate the migration processes over thermal fluctuations. The structural diagrams on the purple and green background illustrate the hydrogen migrating pathways in the concerted and single-ion migrations, respectively.
Credit: ©Science China Press
长期以来，固体中的离子输运被普遍描述为经典的“翻越势垒”过程：离子需获得足够的活化能，跨越能量“山丘”后才能实现迁移。然而，对于元素周期表中最轻的元素——氢而言，这一经典图像并非始终成立。
中国科学院物理研究所、复旦大学和北京大学联合研究团队在最新研究中发现，LaH3中的氢无需“翻山越岭”，可借助量子隧穿直接“穿过”能量势垒。研究人员基于环-聚合物瞬子理论开展第一性原理计算，系统揭示了LaH3中氢输运的量子图景：在协同迁移路径下，量子隧穿在约71K时便开始占据主导，该温度已接近液氮温区；而在单离子迁移路径下，隧穿临界温度高达308K，达到室温水平。在临界温度以下，根据瞬子理论得到的迁移速率常数与经典理论预测值存在显著偏差，这表明氢输运中的核量子效应并非仅存在于极低温条件下，更有望在接近实际应用的温区中发挥重要作用。
该项研究还阐明了经典模型遗漏关键物理图像的核心原因：在经典图景中，离子迁移速率主要由势垒高度决定；而考虑核量子效应后，势垒宽度变得与势垒高度几乎同样重要，较窄的势垒会显著促进隧穿的发生。这也解释了为何在忽略量子隧穿时，经典理论会显著高估协同迁移与单离子迁移速率常数之间的差异。进一步计算表明，通过应变调控势垒的几何形状，可以有效调节氢的隧穿速率。因此，应变工程有望成为调控固体材料中氢迁移行为的有效策略。
综上，此项研究清晰描绘了LaH3中氢输运的量子机制，揭示了其相对较高的隧穿临界温度，说明核量子效应在比通常预期更接近实际应用的条件下仍不容忽视，同时为理解含氢固体中的离子电导规律提供了全新视角，也为相关功能材料的设计与调控提供了理论支撑。
Journal
Science Bulletin
Method of Research
Computational simulation/modeling