水素はいつ「粒子」になり、いつ「波」になるのか?――結晶対称性が量子トンネル現象を支配することを解明――

2026-07-16 東京大学

東京大学と明石工業高等専門学校などの研究グループは、水素吸蔵金属バナジウム中で、水素原子が「粒子」として振る舞う場合と、「波」のような量子的状態になる場合を分ける要因が結晶の対称性であることを明らかにした。実験では、共鳴核反応法による水素の位置・拡散測定と第一原理量子ダイナミクス計算を組み合わせて解析した。その結果、水素濃度が低く結晶の対称性が高い状態では、水素は量子トンネル効果によって複数の格子位置にまたがる波のような状態となり、低温でも速く移動できることが分かった。一方、水素濃度が高く結晶の対称性が低下すると、トンネル効果が抑えられ、水素は一つの格子位置に局在する粒子的な状態となり、拡散も遅くなった。今回の成果は、水素の量子状態を結晶構造によって制御できることを示したもので、水素貯蔵材料や触媒、水素エネルギー関連デバイスの高性能化に向けた新たな設計指針となることが期待される。

水素はいつ「粒子」になり、いつ「波」になるのか?――結晶対称性が量子トンネル現象を支配することを解明――
バナジウム中の水素原子の古典的もしくは量子的振る舞い

<関連情報>

結晶対称性の低下がプロトントンネル効果に及ぼす影響 Impact of crystal symmetry lowering on proton tunneling

S. S. Das,T. Ozawa,T. Kawauchi,H. Nakanishi & K. Fukutani
Nature Communications  Published:15 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75020-w

Abstract

Considerable research has focused on the technological applications of vanadium-based materials for hydrogen (H) storage and separation. However, a fundamental understanding of H diffusion, particularly the role of crystal symmetry in its quantum behavior, remains incomplete. Here, we investigate H diffusion in an epitaxial vanadium (V) thin film through a combined approach involving structure analysis, hopping rate measurements, and quantum calculations. Nuclear reaction analysis of H depth profiles and lattice-site occupancy shows that H migration initiates around 70 K between the octahedral (Oz) sites in the uniaxially strained β-phase. The time evolution of electrical resistance, driven by changes in H distribution, enables quantitative estimation of the diffusion coefficient. Above 65 K, H exhibits thermally activated hopping with an activation energy of 148 meV. In contrast, in the cubic α-phase, H hopping remains significantly faster even at lower temperatures. Quantum state calculations reveal that, in the α-phase, H ground states are delocalized over tetrahedral sites due to tunneling, whereas in the β-phase, uniaxial strain suppresses tunneling, leading to localization around the Oz sites. These findings demonstrate that crystal symmetry plays a crucial role in quantum tunneling and, together with H-induced modulation of the potential energy landscape, governs phase-dependent H hopping behavior.

1701物理及び化学
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