見えない水素の動きを捉えた~水素原子の量子トンネル効果の計測に成功~

2025-11-25 東京大学

東京大学・筑波大学などの研究グループは、水素吸蔵金属パラジウム中で水素原子が量子トンネル効果によって拡散する様子を世界で初めて高精度に計測することに成功した。軽くて小さい水素は量子的挙動が顕著とされるが、直接観測は非常に困難で、特に低温での量子拡散は未解明だった。研究チームはチャネリング共鳴核反応法(NRA)と電気伝導測定を組み合わせ、水素原子の“位置”と“移動”を同時に追跡。50K以下で注入された水素が四面体(T)サイトから八面体(O)サイトへ移動する際、軽水素(H)は温度に依存しない拡散を示し、これは量子トンネルの直接証拠と判明した。また詳細解析により、フォノン励起や伝導電子の非断熱効果がトンネルを促進することを実証。水素拡散の量子的理解を深め、将来の量子的原子制御技術や水素貯蔵材料の高度化に貢献が期待される。

見えない水素の動きを捉えた~水素原子の量子トンネル効果の計測に成功~
水素の量子トンネル効果

<関連情報>

Pdにおけるフォノンと電子と相関した陽子トンネル効果の観測 Observation of proton tunneling correlated with phonons and electrons in Pd

Takahiro Ozawa, Ryota Shimizu, Isao Harayama, Taro Hitosugi, […] , and Katsuyuki Fukutani
Science Advances  Published:21 Nov 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.ady8495

Abstract

Quantum-mechanical properties substantially affect the dynamics of light particles, including hydrogen. The temperature dependence of the tunneling rate provides a clue to understanding the quantum effects. Important physics behind quantum tunneling involves the correlation with surrounding environment, such as phonons and electrons. However, this correlation is not yet well understood due to the difficulty of directly probing hydrogen hopping. Taking advantage of nuclear reaction analysis and resistance measurements, we successfully observed hydrogen hopping from tetrahedral to octahedral sites in palladium. The hydrogen hopping is observed even at low temperatures owing to the quantum tunneling. The tunneling rate reveals a slightly positive and negative temperature dependence above and below 20 kelvin, respectively. The former is explained by the phonon effects. The latter is attributed to the nonadiabatic effects of conduction electrons, whose coupling constant K was derived to be 0.41 ± 0.03 from its temperature (T) dependence described as T2K–1.

0703金属材料
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