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

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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。