钨等重原子缺陷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在含有大约100个钨原子（原子质量184）的缺陷簇上实验发现，在低温下，“重”原子可以在晶体材料中以机械方式移动量子。该结论与人们普遍认为的只有氢或氦这种“轻”原子才能够以这种方式在晶体材料中迁移的观点相悖。这有利于我们对缺陷低温动力学的研究，并应用于材料科学和工程学中。

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存在一些缺陷，这些缺陷会大幅降低材料的力学性能。因此，了解这些缺陷扩散和相互作用的方式对于材料科学和冶金领域的各种过程，包括合金化、沉淀和相变，都是非常重要的。

缺陷被束缚在所谓的静态捕获中心（通常是晶体中的杂质原子），因此需要先“去捕获”才能传播。对于比氢或氦重的元素，一般认为是通过热活化来实现的，并且缺陷扩散速率通常遵循阿伦尼乌斯定律（Arrhenius's law），该定律已有百年历史，它描述了化学反应的速率如何随温度变化。当材料在极低温度环境中，阿伦尼乌斯定律认为重原子缺陷的传输会大大减慢，甚至可能“冻结”。

由日本岛根大学、新日铁钢铁公司、名古屋大学、大阪大学和法国原子能和替代能源委员会、国家科研中心以及英国利兹大学、卡勒姆聚变能源中心组成的研究团队发现了一种与阿伦尼乌斯定律相矛盾的缺陷类型。当构成材料晶格的同一类型的多余原子在规则堆中错位时，就会出现这种缺陷。这些“自间隙原子”引起晶格结构的变形和应力，研究人员研究了缺陷簇是如何在低温下通过钨样品。

研究团队通过105K高能（2000kev）电子束辐照钨，创造了自间隙原子缺陷和空位，即具有“缺失”原子的晶格位点，这是自间隙原子的对应物。样品在300K时，可以使自间隙原子簇成核，增长到纳米尺寸并结合到捕获中心。然后，在300 K下对样品进行老化，使自间隙原子簇成核，生长到纳米大小，并与捕获中心结合。

在这些温度下，研究人员注意到缺陷是热固定的，并且始终分散在整个样品中。他们的下一步是用较低能量（100-1000kev）的电子束照射样品。第二束的能量太低，无法产生额外的自间隙原子，但又足够高，可以使空位在非热状态下移动，并导致被捕获的自间隙原子簇“去捕获”。这种去捕获可以通过热机制和量子力学机制来实现。

研究人员称，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，他们发现量子辅助的缺陷去捕获导致的低温扩散速率比阿伦尼斯定律高出几个数量级。

研究的主要作者Kazuto Arakawa介绍：“我们的研究结果表明，即使是重缺陷的量子输运，在德拜温度的三分之一左右（德拜温度可以观察到量子效应的近似温度）下，也变得占主导地位。” 他解释说，这种行为源自晶格原子振动的量子化。这些被称为声子的量子化振动会驱动物体的随机波动，这些物体本身太重而无法机械地移动量子，这种现象可能适用于大多数晶体材料中的低温缺陷传输。

Arakawa称，这一新发现将影响包括材料科学与工程在内的各个领域，因为任何与缺陷传输或扩散相关的低温过程都是重要的。“低温”是相对的，例如，铍的德拜温度为1280K，因此即使在室温下，铍缺陷的扩散也可能是一种主要的量子现象。

Arakawa相信，该研究成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，这两种环境都会导致缺陷的形成。它也可能与半导体和超导体的辐照等过程有关，在这些过程中，通常故意产生缺陷以控制材料。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在接近绝对零的温度下缺陷之间的反应，这是从未尝试过的，更不用说实现了。

他补充说道，这项工作可能产生更深远的影响。到目前为止，大多数对低温下晶体中原子迁移的观察都是使用阿伦尼乌斯定律解释的。重缺陷在低温环境下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审视并重新解释以前的低温实验。

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