质子传导氧化物中的量子效应：锡酸钡的详尽研究

我们进行了密度泛函理论计算，以研究质子导体 BaSnO$_3$ 中的氢传输过程。通过对转移和重取向的稳定构型及鞍点构型进行结构优化，描述了扩散通过越垒运动发生的高温经典和半经典机制。在较低温度（通常低于 300 K）下，我们描述了一种热辅助量子机制。在该机制中，当周围基体采用特定的“重合”构型以利于量子隧穿时，发生转移和重取向。我们考察了非绝热和绝热两种情况。在绝热情况下，氢在重合构型中的能量景观非常平坦，重合能垒极低。对重合势中 H 原子的路径积分分子动力学模拟显示，在转移情况下，直至 T=300 K 仍表现出高度量子行为（由于零点能超过重合能垒，H 在重合构型中的概率密度最大值位于鞍点）。我们给出了支持转移机制绝热图像的理由。这表明在重合构型极短的寿命期间（$\sim$ 10$^{-13}$ s），氢作为转移机制的过渡态存在这种状态。值得注意的是，这种状态与冰 X（一种在约 100 GPa 高压下观察到的高度量子冰相）的状态相同。在重取向情况下，重合构型存在时间与质子运动时间大致相等，表明绝热图像不适用。因此，室温以下氧化物中的质子转移和重取向由截然不同的机制主导。