Control of Proton Conductivity by Vibrational Level Modulation

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14596
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Fukushima Tomohiro 北海道大学, 理学研究院, 講師 (50801560)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 振動強結合 / 水和 / イオン伝導 / 電気化学

Outline of Final Research Achievements

Upon placing molecules in a cavity vacuum field, strong coupling states are formed. In particular, it has been proposed that even under dark conditions, the dynamics of chemical reactions can be modulated by intervening vacuum field. In this study, we focus on the control of ionic conductivity based on the control of hydration dynamics under vibrational strong coupling. Infrared spectroscopic measurements of water in the resonator revealed that the spectra originated from the polariton state and that the coupling strength exceeds 0.1, indicating an ultra-strong coupling state. Furthermore, we found that the ionic conductivity is particularly enhanced in the state where proton conduction and hydration network dynamics are induced, and we found ionic conduction control by polariton formation.

Free Research Field

物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来のイオン伝導体の設計においては物質組成の制御などと言った合成化学的アプローチに根ざしている。しかしながら本研究で提案する振動強結合を利用した手法においては、共振器の厚さを変調しポラリトン状態を制御することによって、動的にイオンの水和状態さらには伝導度が制御可能であることを見出した。また電極触媒に関しても制御可能であることを見出しており、イオン伝導制御のみならず、電気化学特性制御に広く活用可能な系であると考えている。また共振器構造体は制御が難しいが、赤外領域に光学モードを有する系を利用することで物性制御が可能であることを見出しており、再現良く利用できるシステムの構築も行っている。