論文の概要: Transition-state lattice modes and the breakdown of adiabatic tunneling for hydrogen and deuterium in bcc Nb

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.23212v1
• Date: Fri, 22 May 2026 04:03:21 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-25 17:29:20.19126
• Title: Transition-state lattice modes and the breakdown of adiabatic tunneling for hydrogen and deuterium in bcc Nb
• Title（参考訳）: bccNb中の水素および重水素の遷移格子モードと断熱トンネルの破壊
• Authors: P. Graham Pritchard, James M. Rondinelli,
• Abstract要約: 体中心キュビック金属中の間質水素と重水素は、アルキパル量子トンネル系を構成する。 既存の理論的処理は、光間質格子とホスト格子の間の断熱的な分離を引き起こす。 bcc Nb における O-trapped H および D のトンネル分割は, 5次元 (5D) 格子正規化ボルン・オッペンハイマーの枠組みでのみ定量的に再現されることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Interstitial hydrogen and deuterium in body-centered-cubic metals constitute archetypal quantum tunneling systems. Their relevance has been renewed by the connection between hydrogenic tunneling in Nb and defect-induced decoherence in superconducting qubits, motivating a predictive microscopic theory. Existing theoretical treatments invoke an adiabatic separation between the light interstitial and the host lattice, an assumption whose validity has not been rigorously established for hydrogenic species. Here, we show that the experimentally measured tunnel splittings of O-trapped H and D in bcc Nb are quantitatively reproduced only within a five-dimensional (5D) Lattice-Renormalized Born-Oppenheimer (LRBO) framework. This approach treats three interstitial modes and two judiciously selected lattice modes, which includes a transition-state mode, on equal quantum footing. By recasting nested Born-Oppenheimer hierarchies within this same formalism and benchmarking against modern \textit{ab initio} potential energy surfaces, we show that adiabatic separation of the light particle from lattice dynamics is satisfied only in the positive-muon ($μ^{+}$) mass limit. In contrast, tunneling for H and D is fundamentally a collective, nonadiabatic process mediated by anharmonic lattice couplings. Finally, we show that the breakdown of adiabaticity can be anticipated from simple energy estimates involving the ground-state light-particle energy evaluated at a small number of fixed lattice configurations, providing a practical criterion for assessing the validity of adiabatic tunneling theories in other systems.
• Abstract（参考訳）: 体中心キュビック金属中の間質水素と重水素は、アルキパル量子トンネル系を構成する。 Nbの水素トンネルと超伝導量子ビットの欠陥誘起脱コヒーレンスとの結合により、それらの関係が再燃し、予測顕微鏡理論の動機となった。 既存の理論的処理は、水素種に対する妥当性が厳格に確立されていない仮定である光間格子とホスト格子の間の断熱的な分離を引き起こす。 ここでは, O-trapped H および D の bcc Nb におけるトンネル分割実験を, 5次元 (5D) 格子正規化ボルン・オッペンハイマー (LRBO) の枠組みでのみ定量的に再現することを示した。 このアプローチは3つの間質モードと2つの規則的に選択された格子モードを扱う。 ネストしたボルン=オッペンハイマー階層を再キャストし、現代の『textit{ab initio}』ポテンシャルエネルギー曲面に対するベンチマークを行うことで、格子動力学からの光粒子の断熱的分離は正のミューオン(μ^{+}$)の質量限界でのみ満たされることを示した。 対照的に、H と D のトンネルは基本的に無調波格子結合を介する集合的非断熱過程である。 最後に, 少数の固定格子配置で評価した基底状態光粒子エネルギーを含む簡単なエネルギー推定から, 断熱性の分解を予測できることを示し, 他システムにおける断熱トンネル理論の有効性を評価するための実践的基準を提供する。

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