钨和其他重原子缺陷的量子扩散不符合阿伦尼乌斯定律

来自日本、法国和英国的研究人员通过对含约100个钨原子(原子量184)的缺陷团簇进行实验，发现“重”原子可以在低温下机械移动晶体材料中的量子这个结论与普遍持有的观点相矛盾，即只有“轻”原子，如氢或氦，才能以这种方式在晶体材料中迁移。这有利于我们研究缺陷的低温动力学，并应用于材料科学和工程。

完美晶体是一个纯粹的理论概念，而现实世界中的晶体一般都有一些缺陷，这将大大降低材料的力学性能因此，理解这些缺陷在材料科学和冶金的各种过程中的扩散和相互作用是非常重要的，包括合金化、沉淀和相变。

缺陷被束缚在所谓的静态俘获中心(通常是晶体中的杂质原子)，因此在它能够传播之前需要“去覆盖”。对于比氢或氦重的元素，通常认为是通过热激活实现的，缺陷扩散速率通常遵循阿伦尼乌斯定律，该定律已有100年的历史，描述了化学反应速率如何随温度变化。当材料处于极低的温度环境时，阿伦尼乌斯定律认为，重原子缺陷的传输将大大减慢，甚至可能“冻结”

由日本岛根大学、日本钢铁公司、名古屋大学、大阪大学、法国原子能和替代能源委员会、国家研究中心、英国利兹大学和卡莱姆聚变能源中心组成的研究小组发现了一种与阿伦尼乌斯定律相矛盾的缺陷类型当构成材料晶格的相同类型的冗余原子在规则堆叠中错位时，就会出现这种缺陷。这些“自填隙原子”导致晶格结构的变形和应力。研究人员已经研究了缺陷团在低温下如何穿过钨样品。

研究小组用105K高能(2000千电子伏)电子束照射钨，产生自间隙原子缺陷和空位，即具有“缺失”原子的晶格位置，这是自间隙原子的对应物当样品在300K时，自隙原子团簇可以成核、生长到纳米尺寸并结合到俘获中心。然后，样品在300 K下老化，使自间隙原子簇成核，生长到纳米尺寸，并与俘获中心结合。

在这些温度下，研究人员注意到缺陷是热固定的，并且总是分散在整个样品中他们的下一步是用较低能量(100-1000千电子伏)的电子束照射样品。第二束的能量太低，不足以产生额外的自填隙原子，但它足够高，足以移动非热态的空位，并导致俘获的自填隙团簇“去陷阱”。这种反编译可以通过热机制和量子力学机制来实现。

的研究人员说，通过使用原位透射电子显微镜测量这些团簇的运动频率，他们可以区分纯热运动和量子力学过程引起的运动。令人惊讶的是，他们发现由量子辅助缺陷俘获引起的低温扩散速率比阿伦尼斯定律高几个数量级。

研究的第一作者荒川和夫说:“我们的结果表明，即使是重缺陷的量子输运，在德拜温度的三分之一左右(德拜温度下可以观察到量子效应的近似温度)也是占主导地位的。””他解释说，这种行为源于晶格原子振动的量子化这些被称为声子的量子化振动将驱动物体的随机波动，这些物体本身太重而不能机械地移动量子。这种现象可能适用于大多数晶体材料的低温缺陷传输。

荒川说，这一新发现现在将影响所有领域，包括材料科学和工程，因为任何与缺陷传输或扩散有关的低温过程都是重要的。“低温”是相对的，例如铍的德拜温度是1280K，所以即使在室温下，铍缺陷的扩散也可能是一个主要的量子现象。

荒川认为，研究结果对于理解和开发在高辐射和/或机械冲击环境中工作的微结构非常重要，这两种环境都将导致缺陷的形成。它也可能与半导体和超导体的辐射等过程有关，在这些过程中，缺陷通常是为了控制材料而故意产生的。他认为，这可以为材料加工技术铺平道路，这些技术利用量子辅助传输和接近绝对零度的温度下缺陷之间的反应，这种技术从未尝试过，更不用说实现了。

何补充说，这项工作可能会产生更深远的影响。到目前为止，大多数关于低温下晶体中原子迁移的观察已经被阿伦尼乌斯定律所解释。在低温环境中，严重缺陷的移动速度比预期的要快，这一事实表明材料科学界可能需要重新检查和解释以前的低温实验。