経路積分法で探る金属中の水素の拡散メカニズム

Diffusion mechanisms of hydrogen in metals explored via path-integral methods

君塚 肇*; 尾方 成信*; 志賀 基之   

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

水素は量子性を示す元素で、他の不純物原子にはない特異な拡散挙動を示す。本研究では、経路積分シミュレーションと電子状態計算を連成させた第一原理手法を用いて、パラジウム結晶中の水素同位体の拡散挙動を幅広い温度で予測した。その結果、高温領域では、温度の低下とともに量子ゆらぎの影響が顕在化することによって拡散抑制が生じ、アレニウスプロットが上に凸の折れ曲がることが示された。一方、低温域では、量子トンネル効果の発現によって拡散障壁は減少に転じ、アレニウスプロットは下に凸の折れ曲がることが示された。異なる温度領域における量子効果の競合は、水素拡散の特異な同位体効果を明瞭に説明する。

Hydrogen is an element having quantum nature, and exhibits a unique diffusion behavior not found in other impurity atoms. In this study, the diffusion behavior of hydrogen isotopes in palladium crystals was predicted at a wide range of temperatures using a first-principles approach that combines the path integral simulation and electronic structure calculation. It was shown that in the high temperature region, the influence of quantum fluctuations becomes apparent as the temperature decreases, causing the suppression of diffusion where the Arrhenius plot bends upward. On the other hand, in the low temperature region, the diffusion barrier decreases due to the manifestation of the quantum tunneling effect, and the Arrhenius plot bents downward. The competition of quantum effects in different temperature regions clearly explains the anomalous isotopic effect of hydrogen diffusion.