2023 Fiscal Year Annual Research Report
非磁性絶縁体と相互作用する水素分子のオルソ・パラ転換
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23H01856
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
山川 紘一郎 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 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (60633279)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 核スピン転換 / 水素 / 分子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素分子には、陽子の合成スピンの値によって区別される、2種類の核スピン異性体が存在する。水素が孤立して存在している状態では、これら異性体間の転換、すなわち核スピン転換は極めて稀にしか起こらないが、水素が凝縮系に束縛されると、数秒から数時間程の時間スケールで転換が進行する。例えば液体水素の貯蔵槽内で転換が起きると、その反応熱で水素が蒸発してロスが生じる問題がある。特に、水素分子が非磁性の絶縁体と相互作用している際の転換メカニズムは、未だに明らかになっていない部分が大きい。
そこで、2023年度はまず始めに、超高真空及び極低温下でその場測定可能なテラヘルツ-赤外吸収分光・ラマン分光装置を確立した。この装置を用いて、希ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、氷薄膜内部に捕捉した水素分子を観測した。さらに、スペクトルの経時変化に注目することで、水素分子の核スピン転換速度を決定した。すでに複数提案されている「非磁性絶縁体と相互作用する水素分子の核スピン転換モデル」と実験結果を比較・検討することで、3次摂動モデルが最も妥当な転換メカニズムであると結論した。
これと同時に、水素固体中での核スピン転換を観測すべく、国立陽明交通大学（台湾）の研究者との協力体制を、研究会を通じて新たに築いた。代表者自身が台湾へ渡航し、実験装置のセットアップを完了した。そのため、次年度は水素固体中での核スピン転換機構の解明に取り組む。
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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
実験装置の確立、分子性薄膜内部に捕捉した水素分子の核スピン転換観測と、順調に研究は進展している。また、研究開始当初は予期していなかった、台湾の研究者との連携が進み、水素固体内部における核スピン転換測定について、国際共同研究がスタートした。一方で、薄膜表面における水素分子の核スピン転換観測については、当初計画より若干遅れが生じているため、次年度はこの測定に重点的に取り組む。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、7月まで研究代表者が台湾の国立陽明交通大学に滞在し、今年度にセットアップを完了した分光装置を用いて、「水素固体中での核スピン転換の観測」に取り組む。それと同時に、分担者は「薄膜表面における水素分子の転換」の測定に着手する。代表者は、帰国後に分担者の実験に合流し、薄膜表面における転換機構の解明を目指す。そして、最終年度は単結晶表面に吸着した水素分子のスピン転換を観測する。
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