最新一期【研发信息汇总】已发布↓↓↓

一周研发资讯汇总（20251201-20251207）

欢迎点击浏览，参与投票，决定更新内容

↓↓↓文章末尾获取原文链接↓↓↓

本文2383字，阅读约需7分钟

摘要：通过结合共振核反应法和电导测量，成功测量了氢原子的量子隧穿效应，发现金属中的氢原子表现出波的性质，可通过穿透能量屏障的量子隧道扩散，并进一步证实了通过与传导电子和声子的相互作用促进量子隧道的产生。

关键词：量子隧穿效应、氢原子（H）、量子隧道、量子控制、隧穿共振核反应法

要点

轻而小的氢原子有望显着表现出量子性质，然而氢原子难以直接观测，特别是它的量子扩散现象至今几乎没有被观测到过。
本研究中，通过结合共振核反应法和电导测量的独特方法，成功测量了氢原子的量子隧穿效应。发现了金属中的氢原子表现出波的性质，并随机地通过穿透能量屏障的量子隧道扩散。进一步证实了通过与传导电子和声子的相互作用促进量子隧道。
在加深对氢扩散量子性质的理解的同时，有望促进开发出原子行为的量子控制技术。

氢的量子隧穿效应

概要

研究小组成功观测到氢原子因量子隧穿效应（注1）而扩散的现象。

小质量的氢是量子性质最明显的原子。然而，氢也被认为是最难直接观测的原子，特别是扩散中的量子行为，此前几乎是未解之谜。本研究通过融合利用高速离子束的隧道共振核反应法（注2）和导电测定（注3）（图1），成功对储氢金属钯（Pd）中的氢原子通过量子隧道的扩散进行了高精度测量。由此获得了其温度相关性的详细数据，证实了传导电子和声子（注4）的激发促进了氢的量子隧道。今后，该研究成果有望促进理解原子的量子行为，开发氢扩散的量子控制技术。

研究内容

氢原子具有容易侵入各种材料的性质。喜欢间隙大的地方，在金属中占据被母体晶格包围的四面体网位点（T）和八面体位点（O）并扩散。要理解氢的运动，量子力学的处理必不可少。质量小的氢与电子一样表现出波的性质，在低温下由于量子隧穿效应扩散变得显著。理解氢的这种量子行为，不仅对制氢和储氢技术的发展有所帮助，对阐明原子核运动的本质也不可或缺。

但是，氢原子又轻又小，很难直接观测，特别是低温下的扩散难以测量。因此量子扩散现象此前几乎没有研究报告。在低温下检测氢原子的“位置”和“移动”是观察氢扩散中的量子性质的关键。此外，要分析量子隧道的机制，必须要获取详细的温度相关性数据。

图1：组合隧穿NRA和电阻测量的实验设备示意图。通过隧穿NRA确定氢的晶体位点，通过测量电阻来计算氢的扩散速度。

研究小组利用独自开发的“隧穿共振核反应法”分析了氢的位置。在50k以下的低温下，通过向储氢金属Pd照射离子（注5），非平衡地注入氢原子。这些氢原子不仅占据了最稳定的O位点，还占据了亚稳定的T位点。此外，还发现放置在T位点上的氢逐渐移动到最稳定的O位点。本研究着眼于电阻，发现不同占据位点的电导率不同。观察到随着氢的位点移动电阻减缓（图2），该减缓时间对应于氢从亚稳定的T位点到最稳定O位点的移动速度。由此，实现了低温下氢扩散的高精度测量。

图2. Pd氢化物的电阻测量结果和扩散路径图。观测到氢（H）中从T位点向O位点移动的过程中电阻减缓，而氘（D）的移动受到抑制，没有观测到电阻减缓。

如图3a所示，氘（D）在低温下的扩散受到抑制，而氢（H）的扩散几乎与温度无关。H的这种几乎与温度无关的扩散正是量子隧穿效应的证据，而同位素效应主要反映了隧穿概率在很大程度上受质量影响。此外，通过对温度依赖性的详细分析，发现H隧道扩散以20k为界呈现出小的正、负温度依赖性（图3b、c）。这是此前理论上预测的现象，通过实验证明声子激发和传导电子的非绝热效应（注6）分别促进金属中氢原子的量子隧道。特别是后者，表明电子的运动不能完全跟随原子核氢的运动，是理解原子核运动的重要知识。显示出通过声子和传导电子控制氢的量子行为的可能性。

图3. 由电阻测量得出的氢（H）和氘（D）的跃迁频率。（a）整个温度区域；（b）中间温度区域；（c）低温区域。（a）被看作是同位素效应。在（b）中观测到正的温度相关性，在（c）中观测到负的温度相关性。

本研究通过将基于隧道NRA的结构分析与基于电导测量的高精度扩散测量相结合，在低温下检测氢的“位置”和“移动”，由此证实了量子隧穿过程中氢原子与周围环境相互作用的事实。该成果在加深对氢扩散量子性质的理解的同时，有望为制氢和储氢技术的发展、以及开发原子行为的量子控制技术做出贡献。

术语解释：

（注1）量子隧穿效应：粒子的波函数突破势能屏障传播的量子力学现象。特别是像氢这样的轻原子具有显著的波性质，有望通过量子隧穿效应扩散。以有限的概率穿透经典上无法逾越的能量屏障。它们的透射概率取决于屏障的形状和粒子的质量，并且温度相关性反映了与周围相互作用（声子和传导电子）的影响。
（注2）隧穿共振核反应法：使用共振核反应（NRA）检测氢的方法。通过测量经加速器加速的高能¹⁵N离子和H的核反应¹H (¹⁵N,αγ) ¹²C放出的γ射线，检测出H。将这种方法与离子传导技术相结合便是遂穿NRA。离子隧穿是指光束的入射角与目标样品的晶体轴角度一致时，入射离子穿过晶体轴间隙（通道）的现象，选择性地检测出通道上的H。利用该方法，通过分析由角度扫描引起的产量变化，可以识别纳米薄膜和子表面区域中的H晶体位点。
（注3）电导测量：向材料施加电流来测量电阻的方法。在金属中会反映出载流子浓度和电子散射的大小。由于被吸收的氢会影响母体材料的电子结构，因此通过电导测量可以高精度地检测出氢原子的吸收、脱离，甚至是异效位点之间的移动。
（注4）声子：表示晶格振动的能量和动量的概念，是将晶体中原子的晶格振动量子化的准粒子。声子的激发是指晶格振动的激发。
（注5）离子照射：将原子或分子电离，用电压加速后照射样品的方法。经过加速获得的动能，可以将原本不吸氢的材料氢化，或者将氢导入亚稳定的结晶位点中。
（注6）非隔热效应：电子的运动不能完全跟随原子核的运动，产生电子激发的现象。特别是金属中的传导电子，由于允许极小的能量激发，这种效果可能会显著表现出来。

https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/4928/

https://doi.org/10.1126/sciadv.ady8495

（1）资讯定制

对于本文章中提到的技术，有海外相关技术信息（行业资讯、技术报告、专利信息等）扩展搜集需求的，欢迎留言区留言，或联系邮箱【info#aipatent.com（注明“资讯定制”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”】了解详情。

（2）征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support#aipatent.com（请注明“AIpatent公众号来稿”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”

捕捉氢原子的不可见运动：成功测量氢原子的量子隧穿效应