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（令和8）年7月15日
東京大学
科学技術振興機構（JST）

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広がった量子的な波のような状態、あるいは1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。

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。
本研究成果は、2026年7月15日（英国夏時間）付で「Nature Communications」に掲載されました。
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。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（736KB）

＜論文タイトル＞

“Impact of Crystal Symmetry Lowering on Proton Tunneling”

DOI：10.1038/s41467-026-75020-w

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