东京大学生产技术研究所的DAS SUDHANSU SEKHAR特任研究员、河内泰三技术专员（研究当时）、小泽孝拓助教、福谷克之教授，以及明石工业高等专门学校的中西宽教授（研究当时，现为大阪大学量子信息与量子生命研究中心特任教授）等人的研究团队阐明，金属中的氢原子呈现经典行为还是量子行为，取决于晶体对称性。相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
图1 钒中氢原子的经典或量子行为（供图：东京大学）
氢原子极易渗入各类材料，在金属内部会占据基体晶格之间的间隙位点。已知高温条件下氢会以经典粒子形式发生热扩散；但氢原子质量极小，和电子一样具备波动性，能够依靠隧穿效应以概率方式穿透势垒，这种量子迁移行为不容忽视。然而，氢原子在何种条件下会表现出量子行为，此前尚未得到充分阐释，也没有明确可行的调控思路。
研究团队在50K以下的低温下，向储氢金属钒的薄膜注入氢离子，并利用共振核反应法分析了氢的深度分布和晶格位置。注入的氢主要形成高浓度相（β相），其深度分布和电阻的时间变化表明，高浓度相中氢依靠热运动实现扩散，低温环境下扩散速率缓慢。另一方面，在氢注入后立即在深层区域形成了浓度仅百分之几的稀薄低浓度相（α相），该现象说明即便处于低温，低浓度相中的氢仍具备较快的扩散速度。
为理解氢浓度影响低温扩散速度的机制，研究团队利用第一性原理量子动力学计算分析了氢原子核的固有态。结果表明，在具有高对称性体心立方结构（bcc结构）的低浓度相中，氢通过隧穿效应在多个能量等价的相邻间隙位点之间迁移，形成横跨多个位点、空间延展分布的量子态。
另一方面，在对称性降低的体心四方结构（BCT）高浓度相中，相邻间隙位点之间的能级不再匹配，隧穿效应因此受到抑制，氢原子局域于能量最稳定的位点上。
这些结果表明，根据位点间能级是否匹配，氢在对称性高的环境中通过隧穿效应呈现量子态，而在对称性低的环境中则可能表现为经典粒子行为。
本研究通过结合氢行为的前沿测量与氢状态的量子计算，阐明了氢原子呈现波状行为的条件。该成果为通过晶体结构调控氢的量子行为提供了设计指南。未来有望应用于新型氢能相关材料的开发、催化反应的控制，乃至氢以外轻元素涉及的各种材料研究。
小泽助教表示：“氢是最难直接观察的原子之一。我们此前研发出结合离子束分析与电导测量的检测方法，实现了对其结构与扩散行为的直接观测。在本研究中，我们运用这些技术，证实了晶体结构的应变会调制氢的量子隧穿。我们将在本研究提出的调控原子核量子性指南的基础上继续推进研究，未来目标是利用外场控制量子隧穿，研发新型储氢材料和氢驱动器件。”
福谷教授表示：“氢是贯穿基础物理、化学反应、生物功能乃至宇宙科学领域的核心元素。在涉及氢的现象中，‘量子性’常被预测为重要因素，但其实际情况此前并不清楚。本研究旨在阐明氢的量子性在何种情境下显现，最终证实晶体对称性是关键影响因素。今后我们将在深化对氢量子性理解的同时，致力于利用量子性开拓表面反应与器件应用。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Impact of Crystal Symmetry Lowering on Proton Tunneling
DOI：10.1038/s41467-026-75020-w
