來自日本、法國和英國的研究人員在含有大約100個鎢原子（原子品質184）的缺陷簇上實驗發現，在低溫下，“重”原子可以在晶體材料中以機械方式移動量子。該結論與人們普遍認為的只有氫或氦這種“輕”原子才能夠以這種方式在晶體材料中遷移的觀點相悖。這有利於我們對缺陷低溫動力學的研究，並應用於材料科學和工程學中。
完美晶體是一個純粹的理論概念，而現實世界中的晶體一般存在一些缺陷，這些缺陷會大幅降低材料的力學性能。因此，瞭解這些缺陷擴散和相互作用的方式對於材料科學和冶金領域的各種過程，包括合金化、沉澱和相變，都是非常重要的。
缺陷被束縛在所謂的靜態捕獲中心（通常是晶體中的雜質原子），因此需要先“去捕獲”才能傳播。對於比氫或氦重的元素，一般認為是通過熱活化來實現的，並且缺陷擴散速率通常遵循阿倫尼烏斯定律（Arrhenius's law），該定律已有百年歷史，它描述了化學反應的速率如何隨溫度變化。當材料在極低溫度環境中，阿倫尼烏斯定律認為重原子缺陷的傳輸會大大減慢，甚至可能“凍結”。
鎢缺陷在低溫下運動
由日本島根大學、新日鐵鋼鐵公司、名古屋大學、大阪大學和法國原子能和替代能源委員會、國家科研中心以及英國里茲大學、卡勒姆聚變能源中心組成的研究團隊發現了一種與阿倫尼烏斯定律相矛盾的缺陷類型。當構成材料晶格的同一類型的多餘原子在規則堆中錯位時，就會出現這種缺陷。這些“自間隙原子”引起晶格結構的變形和應力，研究人員研究了缺陷簇是如何在低溫下通過鎢樣品。
研究團隊通過105K高能（2000kev）電子束輻照鎢，創造了自間隙原子缺陷和空位，即具有“缺失”原子的晶格位點，這是自間隙原子的對應物。樣品在300K時，可以使自間隙原子簇成核，增長到納米尺寸並結合到捕獲中心。然後，在300 K下對樣品進行老化，使自間隙原子簇成核，生長到納米大小，並與捕獲中心結合。
在這些溫度下，研究人員注意到缺陷是熱固定的，並且始終分散在整個樣品中。他們的下一步是用較低能量（100-1000kev）的電子束照射樣品。第二束的能量太低，無法產生額外的自間隙原子，但又足夠高，可以使空位在非熱狀態下移動，並導致被捕獲的自間隙原子簇“去捕獲”。這種去捕獲可以通過熱機制和量子力學機制來實現。
研究人員稱，通過使用原位透射電子顯微鏡測量這些團簇的運動頻率，他們可以區分純熱運動和量子力學過程引起的運動。令人驚訝的是，他們發現量子輔助的缺陷去捕獲導致的低溫擴散速率比阿倫尼斯定律高出幾個數量級。
研究的主要作者Kazuto Arakawa介紹：“我們的研究結果表明，即使是重缺陷的量子輸運，在德拜溫度的三分之一左右（德拜溫度可以觀察到量子效應的近似溫度）下，也變得占主導地位。” 他解釋說，這種行為源自晶格原子振動的量子化。這些被稱為聲子的量子化振動會驅動物體的隨機波動，這些物體本身太重而無法機械地移動量子，這種現象可能適用於大多數晶體材料中的低溫缺陷傳輸。
Arakawa稱，這一新發現將影響包括材料科學與工程在內的各個領域，因為任何與缺陷傳輸或擴散相關的低溫過程都是重要的。“低溫”是相對的，例如，鈹的德拜溫度為1280K，因此即使在室溫下，鈹缺陷的擴散也可能是一種主要的量子現象。
Arakawa相信，該研究成果對於理解和開發在高輻射和/或機械衝擊環境中工作的微結構非常重要，這兩種環境都會導致缺陷的形成。它也可能與半導體和超導體的輻照等過程有關，在這些過程中，通常故意產生缺陷以控制材料。他認為，這可以為材料加工技術鋪平道路，這些技術利用量子輔助傳輸和在接近絕對零的溫度下缺陷之間的反應，這是從未嘗試過的，更不用說實現了。
他補充說道，這項工作可能產生更深遠的影響。到目前為止，大多數對低溫下晶體中原子遷移的觀察都是使用阿倫尼烏斯定律解釋的。重缺陷在低溫環境下的移動速度比預期的要快，這一事實表明材料科學界可能需要重新審視並重新解釋以前的低溫實驗。
