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Unraveling anomalous isotope effect on hydrogen diffusivities in fcc metals from first principles including nuclear quantum effects

核量子効果を含む第一原理計算によるfcc金属中水素拡散における異常な同位体効果の解明

君塚 肇*; 尾方 成信*; 志賀 基之

Kimizuka, Hajime*; Ogata, Shigenobu*; Shiga, Motoyuki

結晶中の水素同位体の振る舞いは材料物理学における基本的なテーマである。広い温度範囲にわたる同位体拡散挙動は重要な知見だが、まだ完全な調査には至っていない。本研究では、電子と原子核の両方を量子力学的に扱った最先端の第一原理計算を行い、面心立方Pd金属中の水素同位体拡散係数の温度依存性を調べたところ、逆S型形状のアレニウスプロットを示すことがわかった。この異常な振る舞いは、温度・質量依存性の異なる核量子効果が競合することに起因する。その結果、80-400Kの限られた温度範囲で、三重水素($$^3$$H)が軽水素($$^1$$H)よりも速く拡散するという特性につながる。このメカニズムは、高温および低温での実験でそれぞれ観察されている正・逆同位体効果間がクロスオーバーを示す理論的根拠となることがわかった。

The behavior of H isotopes in crystals is a fundamental and recurrent theme in materials physics. Especially, the information on H diffusion over a wide temperature range provides a critical insight into the quantum mechanical nature of the subject; however, this is not yet fully explored. From state-of-the-art ab initio calculations to treat both electrons and nuclei quantum mechanically, we found that the temperature dependence of H isotope diffusivities in face-centered-cubic (fcc) Pd has an unconventional "reversed S" shape on Arrhenius plots. Such irregular behavior is ascribed to the competition between different nuclear quantum effects with different temperature and mass dependencies, which leads to a peculiar situation, where the heavier tritium ($$^3$$H) diffuses faster than the lighter protium ($$^1$$H) in the limited temperature range of 80 - 400 K. This unveils the mechanism of anomalous crossovers between the normal and reversed isotope effects observed in the experiments at high and low temperatures.

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