2022 Fiscal Year Annual Research Report
Study of low-temperature hydrogen absorption and diffusion into metal using inelastic electron spectroscopy measurements
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21H01605
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
河江 達也 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30253503)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲垣 祐次 岡山理科大学, 基盤教育センター, 准教授 (10335458)
丸山 勲 福岡工業大学, 情報工学部, 准教授 (20422339)
志賀 雅亘 九州大学, 工学研究院, 助教 (40961701)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水素 / 超伝導 / トンネル効果 / 離散準位 / ジョセフソン効果 / 残留抵抗 / パラジウム水素化物 / ニオブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Nb製超伝導－常伝導－超伝導ジョセフソン接合(SNS-JJ)を作製し、その表面に水素を吸着させた際の微分伝導信号dI/dVを詳細に調べた。T~20KでH2をSNS-JJに吸着させると超伝導ギャップ内のdI/dV信号は大きく変化し、電圧値の正負に対して対称的にスパイク状のピークがほぼ等間隔に多数出現した。さらに、温度変化させてもスパイク間隔は変化せず、超伝導転移より高温ではスパイクは消失した。同様の実験をPb製SNS型ジョセフソン接合で行ったところ、やはり超伝導ギャップより低エネルギー側のdI/dV信号にスパイク状ピークが多数出現することが分かった。以上より、スパイク構造の起源は表面に吸着した水素が、超伝導電流と相互作用をすることによってノイズ構造を発生することを明らかにした。
PdHxは水素濃度x(=H/Pd) ≧0.75になると超伝導が出現する。しかし水素は容易に脱離し試料内の水素濃度が不均一になるため、その詳細な超伝導物性は解明できていない。我々はT≦200Kの低温で数週間以上の時間をかけゆっくりと水素吸蔵させ、続けて試料の冷却を行うことで水素脱離を抑制した均質なPdHxにおける超伝導物性の測定に成功した。この方法を用いて作製したPdHx薄膜の超伝導転移を調べ、非常にシャープな転移を示す均質試料にもかかわらず超伝導転移後がゼロ抵抗にならないことを示した。さらにこの残留抵抗の原因として、理論研究で指摘された超伝導転移により水素トンネルが容易になったことによる抵抗発生として理解できることを明らかにした。
超伝導中水素のトンネル拡散の一般性を検証するため、振動ワイヤ法を用いてNbH0.02試料を用いて、その共振特性を調べた。その特性は純粋なNbから変化することを明らかにし、超伝導体中水素のトンネル拡散の一般性を明らかにした。
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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
極低温域では物質の熱運動は抑制される。しかし水素は質量が最も小さい元素であるため、ヘリウムと並んで強い量子性を示すことが知られている。したがって極低温域でもトンネル効果によって物質中に侵入・拡散が起きる可能性がある。さらに近年注目を浴びる量子コンピュータに使用される量子ビットにおいても、水素が量子ノイズの原因となることが近年の研究で明らかになっている。しかし、液体水素温度域での金属と水素間相互作用はほとんど研究されていなかった。
これまでの我々の研究で、液体水素中で金属ナノ接合に数十mV程度の微小電圧を印加すると、金属内に水素が侵入・拡散し高濃度水素化物が生成されることが明らかになった。特にこの水素侵入については、常伝導金属の非弾性電子分光、超伝導のジョセフソン電流変化を利用することで、ナノ金属に30mV程度の電圧を印加すると急激に進行することを明らかにできた。さらに、超伝導ジョセフソン接合に水素が吸着した場合、多数のスパイク状ノイズが発生することを明らかにした。また、ジョセフソン接合内に侵入した水素は超伝導波動関数の干渉効果を引き起こすことを明らかにした。以上のように水素が引き起こす量子ノイズに関しても研究を進展させることができた。
またこれら研究に関連して論文発表もできている。このような理由より研究は順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの実験より超伝導－常伝導－超伝導ジョセフソン接合(SNS-JJ)に水素が吸着した場合、多数のスパイク状ノイズが発生すること、内部に侵入した水素は超伝導波動関数の干渉効果を引き起こすことを明らかにした。これら現象は、近年の超伝導量子ビットにおける量子ノイズの問題と関係する。そこで、SNS-JJに吸着あるいは侵入した水素の引き起こす量子現象について、微細加工試料や単結晶薄膜試料などを用いてより詳細に調べる。また重水素効果についても明らかにすることで超伝導クーパー対と水素・重水素の相互作用について明らかにしていく。
近年、高濃度水素化物に100GPa以上の圧力を印加すると室温でも超伝導が出現することが発見され大変な注目を集めている。一方、パラジウム水素化物PdHxは水素濃度xが0.75以上になると常圧でも超伝導が出現し、水素濃度xの増加とともに転移温度が上昇する。しかしこのPdHxの超伝導は良質の試料が作製できないことが原因で、その超伝導特性は十分明らかにされていなかった。我々は室温より十分低温でPdHxを作製することで非常に高品質の試料作製に成功した。微細加工したPd試料に低温水素吸蔵技術を組み合わせることでPdHxの超伝導特性を調べ、水素化物における高温超伝導出現のヒントを探る。
極低温域における金属内の水素拡散はフォノン・アシストトンネル（PAT)機構に起因する。もし水素拡散がPAT機構に起因するのであれば、金属ナノ接合に印可する電圧値をスイープさせていくと、それに合わせて水素拡散の大きさが変化すると予想される。これまでの研究でPATに起因すると思われるピーク構造が見られた。今年度は同様の実験をトンネル拡散が大きく抑制されると予想される重水素で行いPATの観測を目指す。以上をもとに量子トンネルによる水素の拡散過程を実験的に解明する。
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