双量子锁定：氢气与水亚晶格在氢气填充冰中的动态耦合
材料科学
2026-02-13 v1
摘要
氢气水合物 (HH) 是由氢分子构成的独特材料，氢分子被限制在晶体水框架内部。 在多种相中，填充冰结构，特别是立方C2相，由于超短的H2-H2O距离和1:1的化学计量比，导致两种交织的相同金刚石状亚晶格——一种由水分子组成，另一种由氢分子组成——表现出异常强烈的宿主-客体相互作用。在高压下，涉及氢分子和水晶格的核量子效应占主导地位，形成双晶格量子系统。 本文探讨了HH在压力和温度驱动下的相变序列，重点研究分子旋转、取向有序、晶格对称性破坏和氢键对称化之间的相互作用。通过结合基于经典和路径积分分子动力学的计算建模、量子嵌入技术，以及包括拉曼光谱和同步X射线衍射于高压低温实验，我们识别出C2相中量子诱导的有序和结构转换的特征。我们的发现表明，HH的取向有序发生的压力远低于固态氢，由于诱发水网络结构变化并增强了水和氢动力学的耦合。本工作为在极端机械化学约束下氢气的量子行为提供了新见解，并将氢气填充冰确立为设计富氢量子材料的有前景的平台。
引用
@article{arxiv.2510.25707,
title = {Dual quantum locking: Dynamic coupling of hydrogen and water sublattices in hydrogen filled ice},
author = {Loan Renaud and Tomasz Poreba and Simone Di Cataldo and Alasdair Nicholls and Léon Andriambariarijaona and Maria Rescigno and Richard Gaal and Michele Casula and A. Marco Saitta and Livia Eleonora Bove},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.25707},
year = {2026}
}