钙钛矿型氧化物中氢传输因其潜在的电化学应用引起了广泛的研究兴趣。BaZrO3由于其高对称的晶体结构，可以作为同类型钙钛矿氧化物中氢输运的简单模型。氢核在BaZrO3中的传输可分解为两个基本过程：围绕氧原子的转动过程和氧原子之间的转移过程。长期以来，理论模拟和实验关于这两个基本过程存在较大分歧。理论计算表明，转动过程的势垒较低，因此其速率较大；而光谱实验中发现的强氢键作用则倾向于转移过程更快的观点。

 

    一般的结构优化和分子动力学模拟中，原子核被当作经典粒子。而对于包含轻元素（如H，Li）的体系，经典处理会带来较大误差。因而将原子核量子化应用于氢传输研究是十分必要的。

 

    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室博士生张千帆和导师王恩哥，高世武研究员与瑞典查尔莫斯理工学院Wahnstrom教授小组合作，采用路径积分分子动力学（PIMD）结合密度泛函理论（DFT）这种可以将体系全量子化的模拟方法研究了氢核在BaZrO3中的两个基本过程，并且通过和经典动力学模拟的比较来考察氢核的量子振动对两个过程的不同影响。

 

    通过经典和量子动力学对两个过程势垒的计算，可以看出考虑氢核的量子效应之后，转移过程的势垒有了很明显的下降而转动过程的势垒变化很小，因而本来在经典动力学模拟中较高的转移势垒变得低于转动势垒，使得转移过程速率更大，这和相关实验的结果相符。由于长程传输的速率主要取决于慢过程，因而考虑了核的量子效应后，转动过程成为决定长程传输的主要因素。

 

    他们用零点振动的理论解释了核量子振动对两个过程影响的差异。转移过程包含了H-O键的打破和产生，因此整个过程中氢核的振动性质会发生明显变化；而转动过程中没有化学键的变化，因此氢核的振动性质变化不大。

 

    这项研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金和瑞典STINT基金的支持。结果已发表在《物理评论快报》（Physics Review Letters）。