水素誘起金属-絶縁体転移に伴う電子状態変化の直接観測に成功~新たな機能性水素化物材料の開発につながる可能性~

2025-08-05 九州大学

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九州大学の河江達也准教授らの研究グループは、極低温(約−253℃)下で液体水素を用い、イットリウム金属に水素を吸蔵させることで生成される水素化物の電子状態を初めて直接観測することに成功した。観測の結果、YH₂からYH₃への変化に伴って電子状態が金属的から絶縁体的へと連続的に変化し、水素化物においても電子相関が重要な役割を担うことが示された。この成果は、機能性水素化物材料の開発に新たな指針を与えるものであり、研究成果は「Low Temperature Physics」に掲載された。

水素誘起金属-絶縁体転移に伴う電子状態変化の直接観測に成功~新たな機能性水素化物材料の開発につながる可能性~
図:常圧下のイットリウム金属は原子1個に対して、最大で3つの水素原子を吸蔵する。その二水素化物(YH2)は面心立方構造をとる。さらに水素が取り込まれ三水素化物(YH3)になると六方細密構造へ構造変化することが知られている。このYH2からYH3への水素吸蔵過程で金属-絶縁体転移が生じる。 オレンジ色の球がイットリウム金属、青色の球が水素を示す。

<関連情報>

点接触分光法を用いたイットリウム水和物の電子的性質のin situ調査 In situ investigation of electronic properties in yttrium hydride using point-contact spectroscopy

Kazuki Miyakawa;Zizhou Tai;Hiroki Takata;Taishi Yamaguchi;Masanobu Shiga;Yuji Inagaki;Tatsuya Kawae
Low Temperature Physics  Published:July 01 2025
DOI:https://doi.org/10.1063/10.0036932

We report an in situ investigation of the electronic properties of yttrium hydride nanocontacts using point-contact spectroscopy (PCS), in which hydrogen (H) atoms were absorbed at T ≈ 16 K. The yttrium (Y) nanocontact was prepared by a mechanically controllable break junction technique at T ≈ 20 K, which prevents surface contamination and oxidation. For pure Y nanocontact, the differential conductance (dI/dV) spectrum exhibits an upward convex signal. When a small bias voltage is applied between the nanocontacts immersed in liquid H2, the dI/dV spectra change significantly due to H absorption in the nanocontacts. At an applied voltage of 350 mV, a V-shaped anomaly appears around zero bias in the dI/dV spectra. Moreover, the V-shaped anomaly becomes more pronounced as the temperature decreases, suggesting that the Y hydride nanocontact undergoes a transition to an insulating state upon hydrogenation. By comparing these results with the PCS spectra in Y hydride nanocontacts with the H concentrations of x = 2 and 3 measured at room temperatures, we conclude that the evolution of the spectra from a Y-metallic signal to a V-shaped feature is likely caused by a metal-insulator transition due to the phase transformation from YH2 to YH3.

1701物理及び化学
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