path-integral simulations of hydrogen-isotope diffusion in face-centred cubic metals

面心立方金属における水素同位体拡散の第一原理経路積分シミュレーション

君塚 肇*; 尾方 成信*; Thomsen, B.  ; 志賀 基之   

Kimizuka, Hajime*; Ogata, Shigenobu*; Thomsen, B.; Shiga, Motoyuki

第一原理経路積分法を用いて、面心立方格子金属の水素同位体拡散係数を計算したところ、拡散係数の温度依存性が特異な形状をとることがわかった。これは温度依存性の異なる核量子効果の競合に起因しており、通常の同位体効果と逆同位体効果の間の異常なクロスオーバーのメカニズムを説明するものである。また、密度汎関数理論計算とほぼ同じ精度で、機械学習ベースの原子間ポテンシャルを用いて、近似的な量子ダイナミクスを記述する経路積分シミュレーションの結果も紹介する。この計算法は、様々な固体物質における水素同位体の量子的振る舞いを解明する道を開くものである。

Calculations of hydrogen isotope diffusion coefficients for face-centred cubic lattice metals using path integral methods show that the temperature dependence of the diffusion coefficients has an unusual shape. This is due to the competition between nuclear quantum effects with different temperature dependence, which explains the unusual crossover mechanism between the normal and inverse isotope effects. We also present the results of a path integral simulation that describes approximate quantum dynamics using machine learning-based interatomic potentials with almost the same accuracy as density functional theory calculations. This computational method paves the way for understanding the quantum behaviour of hydrogen isotopes in various solid-state materials.