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――

　東京大学 生産技術研究所のダス スデアンス シェーカール 特任研究員、河内 泰三 技術専門職員（研究当時）、小澤 孝拓 助教、福谷 克之 教授と明石工業高等専門学校の中西 寛 教授（研究当時、現：大阪大学量子情報・量子生命研究センター 特任教授）らによる研究グループは、金属中の水素が古典的な振る舞いを示すか、量子的な振る舞いを示すかは、結晶の対称性に左右されることを明らかにしました。

　水素は原子でありながら質量が小さいために、電子と同様に量子トンネル効果に代表されるような量子的な波としての性質を示すと期待されています。しかしこれまで、量子的な振る舞いの発現機構は明らかではありませんでした。本研究では共鳴核反応法と電気伝導測定を組み合わせた水素の構造解析および拡散計測と、第一原理量子ダイナミクス計算を用いた原子核の量子状態解析により、水素吸蔵金属バナジウム(V)中における水素原子の挙動を解析しました。低濃度領域では結晶対称性が高く、水素原子は量子トンネル効果によって複数の格子位置にまたがった波のような状態を示すことを明らかにしました。今後、水素の量子的な挙動を制御する手法の開発に役立つことが期待されます。