Giant Exchange Reaction from Hydrogen to Deuterium on a Nanocrystalline Silicon Surface

纳米晶硅表面从氢到氘的巨大交换反应

• 批准号: 20H04455
• 负责人: 松本 貴裕
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Nagoya City University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H04455/
• 关键词: ナノ結晶; 重水素; 置換反応; 同位体効果; 量子もつれ; シリコン; 表面; 水素; 同位体; 赤外振動

水素終端ナノ結晶シリコン(Si)に光を照射することによって水素離脱現象がおこることが知られている。一方, 重水素終端ナノ結晶Siに光を照射しても重水素が容易に離脱しないことを見出した。化学的結合エネルギーが同じである水素と重水素で，どうしてこのように大きな水素離脱速度の違いが存在するかについては，現在のところ明確になっていない。本年度の研究において，水素終端ナノ結晶Siの赤外振動状態に着目して中性子非弾性散乱実験をおこなったところ，水素から重水素への特異な交換反応が起こることを発見した。この反応は，n-Siを，重水素を含む溶液に浸すだけで，水素が重水素に積極的に置換されるというものである（濃縮率は4倍）。本中性子散乱実験と量子力学に基づくエネルギー計算を組み合わせることで，n-Si表面の水素が重水素に置換される濃縮率について，定量的に評価することに成功した。この交換プロセスは， n-Si表面に結合した水素と重水素の量子力学的零点エネルギーの相違に密接に関連していると考えられる。令和3年度は本成果を論文にして，アメリカ物理学会誌への掲載を見た。また，シリコンナノ結晶表面に結合した2個の水素原子が，安定した量子もつれ状態になることを発見した。中性子非弾性散乱法を用いて，シリコン表面（Si:100面）に結合した水素の振動状態を観測し，2個の水素が量子もつれ状態にある直接的証拠を得ることに成功した。この量子もつれ状態の特長としては，従来の水素分子の量子もつれ状態と比較すると，10倍以上の大きな振動エネルギーを有するため，室温でも安定な量子もつれ状態を形成することができる。また，シリコン半導体表面処理技術を利用することによって，従来（10^2 bit)よりも遥かに多い10^6個以上の量子ビットの形成が可能となる。令和3年度は本研究の成果も論文にして，アメリカ物理学会誌に掲載された。

Water element terminal crystal silicon (Si) light irradiation On the other hand, the heavy water element terminal can be easily separated from the crystalline Si by light irradiation. The chemical combination is the same as that of water element and heavy water element, and the separation speed of water element is different from that of water element. Now, the separation speed is clear. In this year's research, the water element termination is observed in the red vibration state of crystalline Si, and the neutral ion non-dispersive scattering is observed in the red vibration state. The water element termination is observed in the red vibration state of crystalline Si. For example, the concentration ratio of n-Si, heavy water and heavy water is 4 times. The quantum mechanics theory of quantum physics is used to calculate the concentration ratio of water element on n-Si surface, and the quantitative evaluation is successful The interaction between these elements and the surface of n-Si is closely related to the quantum mechanical zero point of interaction between elements and heavy ions. The results of this paper were published in the Journal of the Institute of Physics in 2003. The crystal surface is bound to two water atoms, and the quantum state is stable. The neutral particle non-dispersive method was successfully used to measure the vibrational state of the water element on the surface (Si:100 plane), and the direct proof of the quantum state of the water element was obtained. The quantum state of water molecules is more than 10 times larger than that of water molecules. The quantum state of water molecules is stable at room temperature. It is possible to form more than 10^6 quantum devices by using semiconductor surface treatment technology. The results of this research were published in the Journal of the Institute of Physics in 2003 and 2004.

项目成果

シリコンナノ結晶を用いた水素，重水素，3重水素置換反応

使用硅纳米晶体的氢、氘和三氘取代反应

• 发表时间: 2022
• 作者: 牟桐;松本貴裕;金光義彦
• 通讯作者: 金光義彦

シリコンナノ結晶表面を利用したエネルギー効率の高い重水素回収方法を発見しました！

我们发现了一种利用硅纳米晶体表面的高能效氘回收方法！

量子もつれ装置

量子纠缠装置

• 发表时间: 2021

Determination of localized surface phonons in nanocrystalline silicon by inelastic neutron scattering spectroscopy and its application to deuterium isotope enrichment

• DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.066003
• 发表时间: 2021-06
• 期刊: Physical Review Materials
• 影响因子: 3.4
• 作者: Takahiro Matsumoto;Ikumi Nomata;T. Ohhara;Y. Kanemitsu

Quantum Proton Entanglement in Nanocrystalline Silicon Surface

纳米晶硅表面的量子质子纠缠

• DOI: 10.1103/physrevb.103.245401
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physical Review A
• 影响因子: 2.9
• 作者: Takahiro Matsumoto;Hidehiko Sugimoto;Takashi Ohhara;Stephen M. Bennington;Makoto Tomita;and Susumu Ikeda
• 通讯作者: and Susumu Ikeda