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摘要：本研究证实，相较于常导状态，侵入超导体内的氢原子核（质子）的隧穿概率会大幅增加，有助于阐明侵入超导体的氢的各种量子特性，而且有望成为实现高性能超导量子器件的重要一步。

关键词：隧穿效应、质子、超导、量子特性、空穴传导

要点

侵入超导体内的氢原子核（质子）的量子行为几乎未被阐明
首次观测到约瑟夫森结(※1)内存在的质子的隧穿运动（※2）能够促进空穴的传导现象
有望阐明量子器件（包括量子计算机）中的噪声源，促进利用质子的量子特性开发新型器件

概要

侵入金属内的氢，即使在热运动冻结的低温环境中，也会通过隧穿运动扩散。众所周知，这会降低基体金属的性能。为此，人们开展了大量研究来阐明氢在金属中的量子行为。特别是，当金属发生超导转变时，其电子态会发生巨大变化，预计氢的量子行为也会随之改变，进而影响超导特性。然而，其细节至今几乎未被阐明。尤其是从微观角度理解这些特性的变化，一直是一个长期存在的挑战。

研究小组在约-269℃的条件下，向铌制的约瑟夫森结中引入氢的同时，详细测量了其电流－电压特性。此外，还测量了预先掺杂微量氢的约瑟夫森结的电流－电压特性的温度依赖性，并将两者进行了比较。结果首次发现，约瑟夫森结在常导区域产生的多重安德烈夫空穴传导(※3)是由带正电荷的氢原子核（质子）的隧穿运动促进的，从而导致电导增加。

本研究成果表明，随着超导转变，质子的隧穿概率可能会显著增加。这有望阐明超导量子器件中导致量子态破坏的噪声，以及因氢侵入超导磁体导致临界电流下降等问题的根源。

（图1）质子侵入后铌超导-常导-超导约瑟夫森结。当质子侵入约瑟夫森结内部时，结间由多重安德列夫反应引起的电流-电压特性会因质子隧穿概率的增加而发生显著变化。

研究者评论

“本研究表明，相较于常导状态，侵入超导体内的氢原子核（质子）的隧穿概率会大幅增加。从能源相关研究到功能性氢化物材料的开发，氢在诸多前沿领域备受关注。

通过本研究，研究小组再次认识到，要理解氢的这些丰富多彩的性质，就必须深刻理解其强量子力学特性。”

研究背景与经过

众所周知，氢是质量最小的元素，并具有极强的量子特性。例如，侵入金属内部的氢原子核（质子）在低温环境下会通过隧穿运动在金属内部扩散。特别是，理论上指出，当基体金属发生超导转变时，费米面上会形成能隙，因此质子受到周围电子体系的相互作用大幅减弱，其隧穿概率会随温度降低呈指数级增长。然而，这种效应会被超导转变过程中电阻消失等物理性质的变化所掩盖，难以通过实验加以验证，至今尚未获得直接的证据。另一方面，氢相关的超导研究范围广泛，有利于阐明超导量子器件中导致量子态破坏的噪声，以及因氢侵入超导磁体导致临界电流下降等问题的根源。

研究内容与成果

研究小组自主研发了一种实验装置（参考图），该装置在约-269℃的极低温环境下，可对拉伸氢包覆铌丝制成的约瑟夫森结施加电压，使氢侵入的同时直接观察电流-电压特性。通过该装置，研究小组可以详细测量含有氢杂质的约瑟夫森结的电流-电压特性，作为氢浓度增加时的变化的指标。此外，研究小组测量了由预先掺杂微量氢的铌丝制成的约瑟夫森结的电流-电压特性的温度依赖性，并将两者进行了比较。结果，首次明确显示，由于氢的侵入，电流-电压特性发生了显著变化，并出现了可用多重安德烈夫传导来解释的新信号。这些结果强烈表明，在约瑟夫森结内质子的隧穿概率增加，从而促进了空穴的运动。

本研究不仅有助于阐明侵入超导体的氢的各种量子特性，而且有望成为实现高性能超导量子器件的重要一步。

实验装置示意图。保温管采用双层结构。通过这种结构，可以在将安装样品的内部保温管置于氢气环境的情况下，控制约瑟夫森结的尺寸进行测量。

未来展望

尽管已有大量研究探讨了常导金属中的氢的量子现象，但侵入超导体内部的氢所表现出的量子特性尚未得到充分阐明。另一方面，近年来研究发现，在超高压下形成的高浓度氢化物显示出高温超导性，引起了人们的广泛关注。在这样的背景下，本研究成果有助于阐明氢在超导态下所诱导的多种量子特性。

术语说明

(※1)约瑟夫森结

一种在两种超导体之间夹有nm(纳米）级的绝缘体或金属的结构。在这种结构中，超导电子对通过隧穿效应穿过绝缘层，表现出电流流动的现象（约瑟夫森效应）。此外，在约瑟夫森结中，由于可以观察到零电压下电流流动的“直流约瑟夫森效应”等独特现象，因此也被用作量子计算机的基本元件（超导量子比特）以及超高灵敏度磁传感器（SQUID）。

(※2)隧穿效应

在量子力学中，电子或氢等粒子具有波的特性（波动性），因此能够以一定的概率穿过经典力学中无法克服的能垒，这被称为隧穿效应。隧穿效应是一种在原子尺度的极小区域内显著出现的现象，广泛应用于隧穿二极管等半导体器件以及扫描隧道显微镜（STM）等技术中。此外，约瑟夫森效应被理解为夹有绝缘体或金属的两个超导体之间的宏观波函数通过隧穿效应耦合的现象。

(※3)多重安德烈夫传导

多重安德烈夫传导是一种发生在超导体与常导体接合界面的特征性电导现象。在超导体中，电子以两个为一对的库珀对的形式存在，而能量低于超导能隙的单电子无法直接进入超导体。因此，当低能电子从常导体一侧入射时，它们不会被直接吸收进入超导体，而是通过与另一个电子配对的过程，以空穴的形式沿相反方向反射回来。通过这一过程，实际上有两个电子作为库珀对流入超导体，从而实现电荷的传输，这一现象被称为安德烈夫反射。此外，通过在接合处多次重复这一反射过程，就会产生多重安德烈夫传导。

https://www.kyushu-u.ac.jp/f/65704/26_0415_02.pdf

https://pubs.aip.org/aip/jap/article/139/13/133901/3385937/Conductance-anomalies-in-constriction-type

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在超导量子器件中观察到新型空穴传导现象——阐明已渗透到超导体中的氢的量子特性