观察到在Pd（钯）材料中，质子隧穿现象与声子（phonons）和电子（electrons）之间存在关联

《SCIENCE ADVANCES》：Observation of proton tunneling correlated with phonons and electrons in Pd

氢在钯中的量子隧穿效应及环境耦合机制研究。通过同位素对比（H/D）、核反应分析（NRA）和电阻测量，发现低温下（<70K）氢原子从四面体（T）位到八面体（O）位的隧穿行为显著，且温度依赖性由声子效应（>20K）和非绝热电子耦合效应（<20K）共同主导。实验推导出电子耦合常数K=0.41±0.03，揭示了氢隧穿与材料电子结构的强关联。

　　氢在材料中的行为是许多科学和技术领域研究的重要课题，尤其是在氢储存和异质催化等应用中。氢作为最轻、最小的原子之一，其在材料中的运动不仅受到热力学因素的影响，还与量子效应密切相关。量子效应包括零点振动、离散振动能级以及量子隧穿等现象。这些效应在低温条件下尤为显著，可能对氢的扩散过程产生深远影响。然而，由于氢的散射截面较小，直接探测其在材料中的位置和运动方式一直是一项挑战。本文通过结合核反应分析（NRA）和电阻测量等实验手段，成功观察到了氢在钯（Pd）中的隧穿过程，并揭示了其在不同温度下的行为特征。

钯是一种典型的氢吸收金属，具有面心立方（fcc）结构。氢在钯中的扩散通常发生在晶格间隙位置，其中四面体（T）和八面体（O）位点是氢原子偏好的位置。在较高温度下，氢原子可以通过热激活的方式在T和O位点之间进行扩散，但在低温条件下，量子隧穿效应可能成为主导因素。为了探究这一现象，研究人员采用了低温氢离子注入的方法，将氢原子引入到钯的晶格间隙中，并通过核反应分析技术确定氢的晶格位置。此外，电阻测量被用于研究氢的跳跃过程，从而间接反映其在材料中的运动行为。

实验结果显示，几乎一半的注入氢原子在低温下占据四面体位点，随后通过隧穿机制迁移到八面体位点。这种迁移过程在70 K以下尤为显著，表明量子效应在低温条件下的重要性。通过分析电阻随时间的变化，研究人员能够提取氢的跳跃速率，并进一步研究其温度依赖性。结果显示，氢的跳跃速率在70 K以上遵循阿伦尼乌斯定律，说明热力学过程在该温度范围内的主导作用。而在70 K以下，氢的跳跃速率表现出负的温度依赖性，这可能与非绝热电子效应有关。通过拟合数据，研究人员得到了电子耦合常数K的值为0.41 ± 0.03，这一结果与理论预测相符，并且比其他金属中的氢或μ子耦合常数更高，表明钯的电子结构对氢的隧穿过程有显著影响。

氢的跳跃速率在20 K以上表现出轻微的正温度依赖性，这可能与晶格振动（声子）效应相关。而在20 K以下，跳跃速率则呈现出负的温度依赖性，这表明电子非绝热效应在低温条件下对氢的隧穿过程起到了关键作用。这一现象与Kondo效应的预测一致，即电子的非绝热相互作用可能对隧穿过程产生影响。通过比较氢和氘（D）在不同温度下的跳跃行为，研究人员发现，氢在低温下的跳跃速率比氘更高，这与零点振动能（ZPE）的贡献有关。零点振动能是量子效应的重要体现，它与氢的振动幅度和势能曲率相关，因此对氢的跳跃速率有显著影响。

在更深入的分析中，研究人员通过计算不同温度下的激活能，进一步验证了氢的跳跃路径。在70 K以上的温度范围内，氢的跳跃速率表现出明显的正温度依赖性，其激活能为64.1 ± 4.2 meV，而氘的激活能则为73.0 ± 3.9 meV。这些结果与理论计算中的势能差异相符，表明氢在四面体位点与八面体位点之间的跳跃过程受到势能曲率和零点振动能的共同影响。而在70 K以下，氢的跳跃速率则呈现出负的温度依赖性，这可能是由于电子的非绝热效应导致的。通过分析氢和氘的跳跃速率，研究人员发现，氢的跳跃速率在20 K以下表现出增强的趋势，而氘则被显著抑制，这进一步支持了量子隧穿在低温条件下的主导作用。

为了更全面地理解氢的跳跃行为，研究人员还利用了核反应分析和离子通道技术，结合氢的注入实验和电阻测量，对氢在钯中的位置和运动进行了系统研究。实验结果表明，氢在钯中的位置与晶格结构密切相关，其跳跃行为受到周围环境（如声子和电子）的影响。通过分析不同温度下的电阻变化，研究人员能够区分氢在四面体位点和八面体位点之间的迁移过程，并揭示其在不同温度范围内的行为特征。这些结果不仅有助于理解氢在金属中的量子效应，还为开发新型氢储存材料和优化催化反应提供了理论依据。

此外，实验还发现，氢的跳跃速率在低温条件下表现出与电子耦合常数K相关的温度依赖性。K值的测定表明，氢在钯中的耦合常数较高，这可能与钯的电子结构有关。钯的电子结构特征，如4d轨道中的电子密度和有效质量，可能对氢的跳跃速率产生重要影响。研究人员推测，较高的K值可能与氢在四面体位点和八面体位点之间的跳跃路径有关，这表明钯的晶格结构和电子环境对氢的隧穿过程具有显著的调控作用。

通过结合多种实验手段，本文不仅成功观察到了氢在钯中的隧穿过程，还揭示了其在不同温度下的行为特征。这些结果表明，氢的跳跃行为受到量子效应和周围环境的共同影响，特别是在低温条件下，量子隧穿可能成为主导因素。此外，实验还发现，氢和氘在不同温度下的跳跃速率存在显著差异，这与它们的零点振动能和势能曲率有关。这些发现为理解氢在金属中的量子行为提供了新的视角，并为未来研究氢在不同材料中的跳跃机制奠定了基础。

总的来说，本文通过创新的实验方法，成功揭示了氢在钯中的量子隧穿行为，并探讨了其与周围环境（如声子和电子）之间的相互作用。这些研究不仅加深了我们对氢在金属中运动机制的理解，还为开发基于氢的新型材料提供了重要的理论支持。未来的研究可以进一步探索氢在不同金属中的量子效应，以及这些效应如何影响其在材料中的扩散和储存行为。