2021 Fiscal Year Annual Research Report
Giant Exchange Reaction from Hydrogen to Deuterium on a Nanocrystalline Silicon Surface
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20H04455
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
松本 貴裕 名古屋市立大学, 大学院芸術工学研究科, 教授 (10422742)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大原 高志 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (60391249)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | シリコン / 表面 / 水素 / 同位体 / ナノ結晶 / 置換反応 / 赤外振動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素終端ナノ結晶シリコン(Si)に光を照射することによって水素離脱現象がおこることが知られている。一方, 重水素終端ナノ結晶Siに光を照射しても重水素が容易に離脱しないことを見出した。化学的結合エネルギーが同じである水素と重水素で，どうしてこのように大きな水素離脱速度の違いが存在するかについては，現在のところ明確になっていない。本年度の研究において，水素終端ナノ結晶Siの赤外振動状態に着目して中性子非弾性散乱実験をおこなったところ，水素から重水素への特異な交換反応が起こることを発見した。この反応は，n-Siを，重水素を含む溶液に浸すだけで，水素が重水素に積極的に置換されるというものである（濃縮率は4倍）。本中性子散乱実験と量子力学に基づくエネルギー計算を組み合わせることで，n-Si表面の水素が重水素に置換される濃縮率について，定量的に評価することに成功した。この交換プロセスは， n-Si表面に結合した水素と重水素の量子力学的零点エネルギーの相違に密接に関連していると考えられる。令和3年度は本成果を論文にして，アメリカ物理学会誌への掲載を見た。また，シリコンナノ結晶表面に結合した2個の水素原子が，安定した量子もつれ状態になることを発見した。中性子非弾性散乱法を用いて，シリコン表面（Si:100面）に結合した水素の振動状態を観測し，2個の水素が量子もつれ状態にある直接的証拠を得ることに成功した。この量子もつれ状態の特長としては，従来の水素分子の量子もつれ状態と比較すると，10倍以上の大きな振動エネルギーを有するため，室温でも安定な量子もつれ状態を形成することができる。また，シリコン半導体表面処理技術を利用することによって，従来（10^2 bit)よりも遥かに多い10^6個以上の量子ビットの形成が可能となる。令和3年度は本研究の成果も論文にして，アメリカ物理学会誌に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，以下の2つの研究テーマを推進している。
(A)ナノ結晶シリコン（n-Si）表面における水素重水素同位体置換反応メカニズムの解明：
ナノ結晶シリコン（n-Si）の表面で，水素から重水素への特異な交換反応が起こることを発見した。この反応は，n-Siを，重水素を含む溶液に浸すだけで，n-Si表面の水素が重水素に積極的に置換されるというものである。その置換反応メカニズムは，中性子非弾性散乱法を用いて解明された。本実験と，他の分光法や量子力学に基づくエネルギー計算を組み合わせることで，n-Si表面の水素が重水素に置換されるメカニズムを定量的に解明することに成功した。本成果の論文が，アメリカ物理学会誌，Phys. Rev. Materialsへ掲載された。
(B)シリコンナノ結晶表面に結合した2個の水素原子が示す量子振動効果の解明:
シリコンナノ結晶表面に結合した2個の水素原子が，安定した量子もつれ状態になることを発見した。中性子非弾性散乱法を用いて，シリコン表面に結合した水素の振動状態を観測し，2個の水素が量子もつれ状態にある直接的証拠を得ることに成功した。この量子もつれ状態の特長としては，従来の水素分子の量子もつれ状態と比較すると，10倍以上の大きな振動エネルギーを有する。このため，室温でも安定な量子もつれ状態を形成することができる。また，シリコン半導体表面処理技術を利用することによって，従来（10^2 bit)よりも遥かに多い10^6量子ビットの形成が可能となる。この量子ビットを利用することによって，現在のスーパーコンピューターを用いては解くことができない問題を一瞬で解くことが出来る超高速量子コンピューターを構築することが可能となることが判明した。本成果について特許化(日本及び米国他）を図ると同時に論文作成をおこない，アメリカ物理学会誌，Phys. Rev. Bへ掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
①重水素および三重水素終端特性を評価するためのナノ結晶Siの作製：
水素終端ナノ結晶Siと重水素および三重水素終端ナノ結晶Siの作製をおこなう。水素終端ナノ結晶Siはフッ化水素酸およびエタノール混合溶液中で電気化学的にエッチングして作製する。重水素および三重水素終端ナノ結晶Siは水素終端ナノ結晶Si表面でおこる置換反応を利用して作製する。
②水素，重水素および三重水素が終端したIV属半導体の表面終端密度評価：
作製した水素および重水素終端IV属材料を用いて中性子散乱実験をおこなう。本実験で得られたスペクトルを水素終端ナノ結晶Siで既に得られているスペクトルと比較し，水素から重水素および三重水素への置換反応の量子力学的メカニズムを明らかにする。三重水素終端IV属半導体材料の三重水素終端密度については，名古屋市立大学が保有する放射線装置を用いて定量的に評価する。
③量子もつれ状態の解明と応用技術の構築:
中性子散乱法を用いてシリコン表面に結合した水素の振動状態を観測し，2個の水素が量子もつれ状態にある直接的証拠を得ることに成功した。この量子もつれ状態の特長としては，従来の水素分子の量子もつれ状態と比較すると，10倍以上の大きな振動エネルギーを有する。このため，室温でも安定な量子もつれ状態を形成することができる。シリコン半導体表面処理技術を利用することによって，従来（10^2 bit)よりも遥かに多い10^6量子ビットの形成が可能となる。今後は，これら大量の量子ビットを作製して制御する技術の理論的検討をおこなう。また，本量子もつれ状態を利用することによって，物理的相互作用を与えることなく物体を検知してその位置情報を入手することが可能となることが判明した。これらの成果について更なる特許化を図ると同時に，米国物理学会等へ論文投稿をおこない，新規研究成果について引き続き情報発信をおこなう。
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