Study of low-temperature hydrogen absorption and diffusion into metal using inelastic electron spectroscopy measurements

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01605
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26010:Metallic material properties-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Kawae Tatsuya 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30253503)
• 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 水素 / 超伝導 / トンネル効果 / 離散準位 / 残留抵抗 / ジョセフソン効果 / パラジウム水素化物 / ニオブ

Outline of Final Research Achievements

We found that the quantum behavior of hydrogen adsorbed in or penetrated into a superconductor is significantly different from the quantum behavior of hydrogen in normal metals. For example, hydrogen adsorption experiments on Josephson junctions have shown that when hydrogen is adsorbed onto the surface of a superconductor, energy levels are formed at ~0.1meV level intervals.
We also showed that high-quality PdHx superconductors can be obtained by absorbing hydrogen in Pd metal at temperatures lower than 200K. On the other hand, it was revealed that even after superconducting transition, the electrical resistance does not become zero due to the effects of hydrogen tunneling, even though the superconductor is of very high quality.
Furthermore, through a vibrating wire experiment, we clarified that this phenomenon also occurs when small amounts of hydrogen are absorbed.

Free Research Field

低温物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超伝導転移するとフェルミ面に超伝導ギャップが出現する。このため水素が周囲の電子系より受ける相互作用は大きく低減し、トンネル拡散係数は指数的に上昇することが理論的研究から指摘されていた。これ水素が示す量子現象も常伝導状態から劇的に変化することを意味する。一方、超伝導体中水素の量子的振る舞いに焦点を絞った実験研究は全く実施されていなかった。そのような背景に対して、我々の実験結果は超伝導体中の水素の量子的振る舞いが常伝導体から劇的に変化することを初めて実験的に示したものである。この結果は、高濃度水素化物における高温超伝導現象や超伝導量子ビットにおける水素ノイズ問題などへの波及効果が期待される。