○発表のポイント：
◆水素吸蔵金属バナジウム中の水素の挙動を解析し、その濃度に応じて、水素原子が複数の場所に拡がった量子的な波のような状態、あるいは一つの場所に存在する古典的な粒子のような状態を示すことを発見しました。
◆水素の量子的な振る舞いを支配する要因が、水素濃度によって変化する金属結晶の対称性にあることを明らかにしました。結晶対称性が高い環境では、障壁をすり抜ける量子トンネル現象が促進され、水素原子が量子的な状態を示すことを解明しました。
◆結晶格子を介した水素の量子状態制御の指針を与えるものであり、水素の拡散、吸蔵、反応の制御や、新たな水素関連材料の開発への応用が期待されます。

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

○概要：
　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（注1）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（注2）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（注3）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。

○発表者コメント：小澤 孝拓 助教の「もしかする未来」

水素は直接見ることが最も難しい原子の一つです。これまでにイオンビーム解析と電気伝導測定を用いた手法を開発し、その構造と拡散を直接観測できるようになってきました。それらを駆使し、本研究では結晶構造の歪みによって水素の量子トンネルが変調されることを実証しました。原子核の量子性を制御する指針を示した本研究を発展させ、今後は水素貯蔵材料や水素駆動デバイスの新たな開拓に向けた外場による量子トンネルの制御を目指して研究を進めていきます。

○発表者コメント：福谷 克之 教授の「もしかする未来」

水素は、基礎物理から化学反応、生体機能、さらに宇宙科学において主役を担う元素です。水素の関わる現象において、しばしば"量子性"が重要と予測されますが、その実態は明らかではありませんでした。この研究では、水素の量子性はどのような場面で顕在化するのかを明らかにすべく研究を行い、結晶の対称性が重要であることを解明しました。今後は水素の量子性の理解を深化させるとともに、量子性を活用した表面反応・デバイスの開拓に取り組みたいと考えています。
福谷 克之 教授 研究者プロフィール

○発表内容：
　水素原子はさまざまな材料に侵入しやすく、金属中では母体格子に囲まれた隙間サイトを占有します。高温では古典的な粒子として熱的に拡散することが知られています。一方、質量が小さいため電子と同様に波動性を示し、確率的に障壁をすり抜けるトンネル効果による量子的な移動も無視できないと考えられています。しかし、水素がどのような条件で量子的な振る舞いを示すのかは十分に理解されておらず、その制御指針も明らかではありませんでした。水素の生成や貯蔵技術、触媒反応のさらなる発展には、その動的挙動の制御が重要です。本研究チームは、水素原子の「位置」と「拡散」を実験的に観測するとともに、「状態」を量子状態計算により解析することで、水素の量子的な振る舞いを支配する要因が結晶の対称性であることを明らかにしました。
　本研究では、水素吸蔵金属であるバナジウム(V)の薄膜に50 K（約-223 ℃）以下の低温で水素イオンを注入し、図1に示すように共鳴核反応法を用いて水素の深さ分布と格子位置を解析しました。注入された水素は主に高濃度相（β-phase）を形成し、その深さ分布と電気抵抗（図2）の時間変化から、高濃度相での水素拡散は熱的であり低温では遅いことを明らかにしました。一方、数％程度の希薄な低濃度相（α-phase）が水素注入直後すでに深い領域に形成されていることから（図1赤塗領域）、低濃度相では低温でも水素拡散が速いことが示唆されました。

図1：バナジウム薄膜中の水素深さ分布の温度依存性。35 Kでは打ち込み深さに留まっていた水素(赤)が、70 K以上(紫、茶)では拡散して膜全体に分布している。赤塗領域は35 Kで観測された低濃度相。

図2：水素注入したバナジウム薄膜の電気抵抗の時間変化。温度領域によって、拡散や脱離による水素深さ分布の変化に伴う抵抗緩和が観測された。

　水素濃度に応じて低温での拡散速度が変化する機構を理解するため、水素原子核の固有状態を第一原理量子ダイナミクス計算により解析しました。対称性の高い体心立方構造（bcc構造）の低濃度相では、水素はエネルギー的に等価な複数の近接サイト間をトンネル効果によって移動し、複数サイトにまたがる空間的に拡がった量子的状態（図3a）となることがわかりました。一方、対称性の低下した体心正方構造（bct構造）の高濃度相では、近接サイト間のエネルギー準位がそろわなくなるためにトンネル効果が抑制され、最安定サイトに局在する（図3b）ことがわかりました。これらの結果は、サイト間のエネルギー準位の整合性を介して、水素が対称性の高い環境ではトンネル効果によって量子的状態を示す一方、対称性の低い環境では古典粒子的に振る舞う可能性があることを示しています。

図3：(a)対称性の良いbcc構造と(b)対称性の低下したbct構造のバナジウム中の水素原子核の波動関数。挿図はそれぞれのエネルギー準位の概念図。

　本研究は、水素挙動の先端計測と水素状態の量子計算を組み合わせることで、水素原子が波のように振る舞う条件を明らかにしました。この成果は、結晶構造を介して水素の量子的な挙動を制御する設計指針を与えるものです。将来的には、新たな水素エネルギー関連材料の開発や触媒反応の制御、さらには水素以外の軽元素を含むさまざまな材料研究への応用が期待されます。

〇関連情報：
プレスリリース：「量子ビームで結晶中の水素配置を可視化――効率的な水素貯蔵や新奇物性の開拓へ期待――」（2024/11/15）
https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/4644/

プレスリリース：「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）
https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/4928/

○発表者・研究者等情報：
東京大学
　生産技術研究所
　　DAS SUDHANSU SEKHAR（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）
　　　現：学内共同教育研究施設アイソトープ総合センター 技術専門職員
　　小澤 孝拓 助教
　　福谷 克之 教授
　　　兼：国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 客員研究員
明石工業高等専門学校
　　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

○論文情報：
〈雑誌名〉Nature Communications
〈題名〉Impact of Crystal Symmetry Lowering on Proton Tunneling
〈著者名〉Sudhansu Sekhar Das, Takahiro Ozawa*, Taizo Kawauchi, Hiroshi Nakanishi, Katsuyuki Fukutani*
〈DOI〉10.1038/s41467-026-75020-w

○研究助成：
本研究は、JSPS 科研費「JP18H05518」、「JP21H04650」、「JP24K17612」、「JP25K24643」、JST 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「JPMJPR2504」および生研弥生賞最優秀賞の支援により実施されました。

○用語解説：
（注1）量子トンネル効果
　粒子の波動関数がポテンシャル障壁を超えて伝播する量子力学的現象。古典的には越えられないエネルギー障壁を有限の確率で透過する。水素のような軽い原子は波としての性質が顕著で、量子トンネル効果によって拡散すると期待される。特に、低温ではその効果が顕在化すると考えられている。

（注2）共鳴核反応法
　Nuclear reaction analysis：NRA。加速器で加速した高エネルギーイオンと標的原子の核反応を利用して元素を非破壊検出する実験法。本研究では¹⁵N（窒素の同位体）イオンとH（水素）の核反応¹H(¹⁵N,αγ)¹²Cにより放出されるγ線を計測することでHを直接検出する。ナノ薄膜やサブサーフェス領域における水素の深さ分布や格子位置の同定が可能である。

（注3）第一原理量子ダイナミクス計算
　原子核の量子固有状態を求める計算手法。第一原理電子状態計算から得たポテンシャルエネルギー曲面上で核運動に対するシュレーディンガー方程式を解き、固有エネルギーと対応する波動関数を算出することで、原子核の量子力学的挙動を解析する。

○問い合わせ先：
〈研究内容について〉
東京大学 生産技術研究所
助教 小澤 孝拓（おざわ たかひろ）
Tel：03-5452-6132
E-mail：t-ozawa（末尾に"@iis.u-tokyo.ac.jp"をつけてください）

教授 福谷 克之（ふくたに かつゆき）
E-mail：fukutani（末尾に"@iis.u-tokyo.ac.jp"をつけてください）
研究室WEBサイト：http://oflab.iis.u-tokyo.ac.jp/

〈機関窓口〉
東京大学生産技術研究所 広報室
Tel：03-5452-6738　
E-mail：pro（末尾に"@iis.u-tokyo.ac.jp"をつけてください）

科学技術振興機構 広報課
Tel：03-5214-8404　
E-mail：jstkoho（末尾に"@jst.go.jp"をつけてください）

〈JST事業に関する窓口〉
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
金山 晋司（かなやま しんじ）
Tel：03-3512-3526
E-mail：presto（末尾に"@jst.go.jp"をつけてください）