東京大學生產技術研究所的DAS SUDHANSU SEKHAR特任研究員、河內泰三技術專員（研究當時）、小澤孝拓助教、福谷克之教授，以及明石工業高等專門學校的中西寬教授（研究當時，現為大阪大學量子資訊與量子生命研究中心特任教授）等人的研究團隊闡明，金屬中的氫原子呈現經典行為還是量子行為，取決於晶體對稱性。相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 釩中氫原子的經典或量子行為（供圖：東京大學）
氫原子極易滲入各類材料，在金屬內部會佔據基體晶格之間的間隙位點。已知高溫條件下氫會以經典粒子形式發生熱擴散；但氫原子質量極小，和電子一樣具備波動性，能夠依靠隧穿效應以機率方式穿透電位障，這種量子遷移行為不容忽視。然而，氫原子在何種條件下會表現出量子行為，此前尚未得到充分闡釋，也沒有明確可行的調控思路。
研究團隊在50K以下的低溫下，向儲氫金屬釩的薄膜注入氫離子，並利用共振核反應法分析了氫的深度分佈和晶格位置。注入的氫主要形成高濃度相（β相），其深度分佈和電阻的時間變化表明，高濃度相中氫依靠熱運動實現擴散，低溫環境下擴散速率緩慢。另一方面，在氫注入後立即在深層區域形成了濃度僅百分之幾的稀薄低濃度相（α相），該現象說明即便處於低溫，低濃度相中的氫仍具備較快的擴散速度。
為理解氫濃度影響低溫擴散速度的機制，研究團隊利用第一性原理量子動力學計算分析了氫原子核的固有態。結果表明，在具有高對稱性體心立方結構（bcc結構）的低濃度相中，氫通過隧穿效應在多個能量等價的相鄰間隙位點之間遷移，形成橫跨多個位點、空間延展分佈的量子態。
另一方面，在對稱性降低的體心四方結構（BCT）高濃度相中，相鄰間隙位點之間的能階不再匹配，隧穿效應因此受到抑制，氫原子局域於能量最穩定的位點上。
這些結果表明，根據位點間能階是否匹配，氫在對稱性高的環境中通過隧穿效應呈現量子態，而在對稱性低的環境中則可能表現為經典粒子行為。
本研究通過結合氫行為的尖端測量與氫狀態的量子計算，闡明了氫原子呈現波狀行為的條件。該成果為通過晶體結構調控氫的量子行為提供了設計指南。未來有望應用於新型氫能相關材料的開發、催化反應的控制，乃至氫以外輕元素涉及的各種材料研究。
小澤助教表示：「氫是最難直接觀察的原子之一。我們此前研發出結合離子束分析與電導測量的檢測方法，實現了對其結構與擴散行為的直接觀測。在本研究中，我們運用這些技術，證實了晶體結構的應變會調變氫的量子隧穿。我們將在本研究提出的調控原子核量子性指南的基礎上繼續推進研究，未來目標是利用外場控制量子隧穿，研發新型儲氫材料和氫驅動器件。」
福谷教授表示：「氫是貫穿基礎物理、化學反應、生物功能乃至宇宙科學領域的核心元素。在涉及氫的現象中，‘量子性’常被預測為重要因素，但其實際情況此前並不清楚。本研究旨在闡明氫的量子性在何種情境下顯現，最終證實晶體對稱性是關鍵影響因素。今後我們將在深化對氫量子性理解的同時，致力於利用量子性開拓表面反應與元件應用。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Impact of Crystal Symmetry Lowering on Proton Tunneling
DOI：10.1038/s41467-026-75020-w
