When Quantum Fluctuations Meet Structural Instabilities: The Isotope- and Pressure-Induced Phase Transition in the Quantum Paraelectric NaOH

量子相变 量子临界点 动力学同位素效应 相变 电介质 从头算 量子相 铁电性 凝聚态物理 量子 量子涨落 相(物质) 固体氢 从头算量子化学方法 材料科学 物理 量子力学 分子
作者
Sofiane Schaack,Étienne Mangaud,Erika Fallacara,Simon Huppert,Philippe Depondt,Fabio Finocchi
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:131 (12)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.131.126101
摘要

Anhydrous sodium hydroxide, a common and structurally simple compound, shows spectacular isotope effects: NaOD undergoes a first-order transition, which is absent in NaOH. By combining ab initio electronic structure calculations with Feynman path integrals, we show that NaOH is an unusual example of a quantum paraelectric: zero-point quantum fluctuations stretch the weak hydrogen bonds (HBs) into a region where they are unstable and break. By strengthening the HBs via isotope substitution or applied pressure, the system can be driven to a broken-symmetry antiferroelectric phase. In passing, we provide a simple quantitative criterion for HB breaking in layered crystals and show that nuclear quantum effects are crucial in paraelectric to ferroelectric transitions in hydrogen-bonded hydroxides.

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