結果

液体水素に浸したPd、Nb、Vナノコンタクトへの低温水素吸蔵実験によって以下の事項 を明らかにした。

液体水素に浸したPdナノコンタクトの電子輸送特性の評価を行い、𝑇~18Kという温度で もコンタクトへの電圧印加によって内部に水素が吸蔵・拡散していくことを確認した。Pd への実験で得られた実験結果は次のようにまとめることができる。

・微分伝導信号d𝐼/d𝑉、d²𝐼/d𝑉²測定よりPdナノコンタクト内の水素濃度、励起エネルギー 状態などを明らかにすることができる。

・Pdナノコンタクトに𝑉~30mV程度の電圧を印加すると水素吸蔵が大きく進行する。

・液体水素からPdナノコンタクトへの水素の吸蔵・拡散現象にはトンネル効果が関与して いる可能性がある。

NbナノコンタクトにおいてもPdと同様に電子輸送特性から金属内に吸蔵された水素の 検出か可能であること、および電圧印加により低温で高濃度に水素を吸蔵させることがで きることを示した。この手法を利用して低温で水素吸蔵させた場合の電子輸送特性を詳細 に調べることによって以下の結果を得た。

・液体水素中に浸したNbナノコンタクトに対して電圧印加で水素吸蔵を誘起する場合、

Pdよりもずっと短い時間で信号が変化することが明らかになった。この差異は金属中水 素原子の孤立性の違いに起因すると考えられ、bcc構造であるNbでは、fcc構造である Pdと比較して水素原子の移動が容易であることを示している。

・低温水素吸蔵したナノコンタクトではd²𝐼/d𝑉²信号に複数のスパイク状の異常が出現す る場合がある。このスパイク構造は、コンタクト部の電流と電圧の積 𝐼 × 𝑉の関数とし てプロットすると、スパイク出現位置がコンタクトサイズに依らずに一定となる。これ はナノコンタクトで電圧により加速された電子が励起した非平衡フォノンによって、金 属内水素のフォノンアシストトンネルが誘起されるためにスパイク構造が出現する、と 考えることでよく説明できる。

・水素が吸蔵されて十分時間が経過した後にスパイク構造が現われること、及びスイープ 電圧が大きな場合にはそのスイープ方向に依存性があることが観測された。このことか ら印加電圧のスイープを繰り返すことにより水素原子の配置構造が変化し何らかの周期

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性を持つに至ったと考えられる。さらに、水素原子の移動が誘起され水素の配置構造が 変化することにより、水素周りの格子歪みが変化した結果としてd²𝐼/d𝑉²信号にスパイ ク構造が現れると結論づけた。

V ナノコンタクトでも同様に電子輸送特性評価により金属内水素の検出が可能であるこ と、及び電圧印加により低温で高濃度に水素を吸蔵させることができることを明らかにし た。さらにこの手法を用いて、以下に示す結果を得た。

・液体水素中に浸したVナノコンタクトに|𝑉| ≧ 120mVの高電圧を印加することによって、

d𝐼/d𝑉信号およびd²𝐼/d𝑉²信号に Pd や Nb ナノコンタクトの場合には現れない著しい変 化が生じることを明らかにした。変化後の信号のコンタクト抵抗依存性から、d𝐼/d𝑉信号 に現われる V-shape 信号は、V への低温水素吸蔵に伴う電子状態変化に起因していると 解釈できる。

・V-shapeのd𝐼/d𝑉信号を示すVナノコンタクトに対して、真空中で|𝑉|~300mVの大電圧ス

イープを行うことによって、V-shapeの信号からpure-V信号へと変化していく過程が観 測された。これは、水素の吸脱によって V の電子状態が制御できることを示している。

さらに、V-shape型の信号が水素の吸脱に関係した現象であり、ナノコンタクトの構造な

どによって生じた異常ではないこと示した。

・Vへの低温水素吸蔵で生じるV-shapeのd𝐼/d𝑉信号は、Crナノコンタクトのd𝐼/d𝑉信号と 類似しており、次の 2 つ、①コンタクト抵抗値に対するd𝐼/d𝑉信号の線形的依存性、② d𝐼/d𝑉信号（もしくはd𝑉/d𝐼信号）の電圧に対する傾き、に関しては両者の振る舞いはよ く一致していることを示した。以上の結果は、Vナノコンタクトへの低温での水素吸蔵に よって、その電子状態がCr-likeになる可能性があることを示している。

6.2. 課題・今後の展望

本論文の結果から、点接合分光法を利用することで、低温で水素を高濃度に吸蔵させ、さ らにそれに伴って生じる電子輸送特性変化をその場で観測できることが示された。

高濃度に水素化したPdにおいては超伝導が現れうることを述べたが、本研究においては水 素化Pdにおける超伝導の特性は観測できていない。これは超伝導特性を示すほどには水素 が濃高濃度に吸蔵されていないためと考えられる。そこで、より高圧の水素雰囲気中でさら に高濃度の水素を吸蔵させると、Pd水素化物における超伝導転移を観測できると期待され る。この超伝導転移温度を水素の圧力とコンタクトへの印加電圧によって制御可能となる かもしれない。

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Nb の実験においては水素の原子配置が変化していると考えられる信号が観測されてお り、これは低温水素吸蔵によって生じる本質的なふるまいであり、ナノコンタクト中に励起 されたフォノンのアシストにより金属中水素原子配置に変化が生じたと考えられる。一方、

第 1 章で述べたような、水素のコヒーレントトンネル過程やインコヒーレントトンネル過 程が生じていることを示す結果は本研究では得られていない。しかし、本手法を利用したよ り低温での測定や超伝導性の測定によって、これら過程の検出が可能となるかもしれない。

また、水素の高温で水素吸蔵させたサンプルと低温で水素吸蔵させたサンプルそれぞれ の信号にも明確な違いが観測されていることから、本研究で示した低温水素吸蔵法を利用 することにより良質な水素化物を生成できる可能性がある。

V の実験においては、V ナノコンタクトへの低温水素吸蔵によって電子状態が変化する と考えられ、変化後のd𝐼/d𝑉信号はCrナノコンタクトで得られる信号と類似している。よ って、Vナノコンタクトの電子状態が水素吸蔵によりC-likeになっている可能性があるが、

本研究では磁気的な効果を直接的に観測するには至っていない。超伝導特性や磁場に対す る信号依存性を明らかにすることで、V の水素化により実際に磁気特性が変化しているの かを明らかにすることが必要である。

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在学中に発表した論文

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Koichiro Ienaga, Hiroki Takata, Yuki Onishi, Yuji Inagaki, Hiroyuki Tsujii, Takashi Kimura and Tatsuya Kawae

“Magnetic and Superconducting Properties ofVanadium Nanoconstrictions”

Journal of Physics: Conference Series, Vol. 592, 012137

Hiroki Takata, Yuji Inagaki, Tatsuya Kawae, Koichiro Ienaga and Hiroyuki Tsujii

“Real-time detection of hydrogen absorption and desorption in metallic palladium using vibrating wire method”

Applied Physics Express, Vol. 8, No.9, 095502

Yuji Inagaki, Atsuki Nishimura, Honoka Yokooji, Hiroki Takata and Tatsuya Kawae

“Kondo-Fano resonance in atomic-scale contacts for ferromagnetic metals” Journal of Physics: Conference Series, Vol. 807, 082002

Muhammad Saiful Islam, Hiroki Takata, Yusuke Ueno, Koichiro Ienaga, Yuji Inagaki, Hiroyuki Tsujii and Tatsuya Kawae

“Fano profiles in palladium nanoconstrictions” Solid State Communications, Vol. 262, pp. 16-19

Muhammad Saiful Islam, Hiroki Takata, Koichiro Ienaga, Yuji Inagaki, Hiroyuki Tsujii and Tatsuya Kawae

“Development of point-contact spectrometer for spin polarization measurements” Journal of Physics: Conference Series, Vol. 897, 012001

Masanobu Shiga, Naoto Nishimura, Hiroki Takata, Yuji Inagaki, Hiroshi Kambara, Kenichi Tenya and Tatsuya Kawae