Ученые из Токийского университета выяснили, как деформация кристаллической решетки ванадия влияет на движение атомов водорода при сверхнизких температурах. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications. Данную информацию сообщает портал N + 1.
Ванадий считается одним из лучших металлов для хранения водорода: он поглощает его экзотермически и способен накапливать в объеме больше, чем большинство конкурентов. Однако при низких температурах, когда тепловой перескок атомов затруднен, на первый план выходят квантовые эффекты — нулевые колебания и туннелирование.
Группа под руководством Такахиро Озавы вырастила эпитаксиальную пленку ванадия толщиной 40 нанометров на подложке из оксида магния и имплантировала в нее ионы водорода с энергией 500 электронвольт при температуре 35 кельвин. В зависимости от концентрации водорода металл сохраняет кубическую α-фазу либо переходит в тетрагональную β-фазу с одноосной деформацией решетки.
Измерения методом ядерных реакций показали: при 35 кельвин водород сосредоточен в приповерхностном слое, а при нагреве до 70 и 200 кельвин равномерно распределяется по всей пленке. В кубической фазе диффузия остается активной даже при 35 кельвин, тогда как в деформированной β-фазе она стартует лишь около 70 кельвин. Энергия активации тепловых прыжков в β-фазе составила 148 ± 20 миллиэлектронвольт, а признаков туннелирования не обнаружено.
Расчеты подтвердили, что в α-фазе все 12 тетраэдрических позиций эквивалентны, и волновая функция основного состояния делокализована, что делает возможным туннельные переходы. Туннельный матричный элемент равен −0,61 миллиэлектронвольта, частота переходов — около 3×10^11 в секунду, а коэффициент диффузии — 5,5×10^-6 квадратных сантиметров в секунду. Понижение симметрии в β-фазе локализует волновую функцию и создает барьер 1,025 электронвольта для прямого пути, из-за чего туннелирование становится практически невозможным.