水素はいつ「粒子」になり、いつ「波」になるのか――量子トンネルを支配する仕組みを解明

日本の東京大学生産技術研究所（IIS）などで行われた研究によって、金属の中の水素原子が、いつ「粒子」になり、いつ「波」になるのか――その切り替えを制御するための手がかりが明らかになりました。

研究では、結晶の状態が変わるだけで、水素原子が複数の場所に存在確率を広げる、いわば「幽霊のような状態」にも、1カ所にじっと留まる「普通の状態」にもなりうることが示されています。

なぜ結晶の形がほんの少し変わるだけで、水素の量子的な性質がこれほど劇的に変化してしまうのでしょうか？

研究内容の詳細は、2026年7月15日に『Nature Communications』にて発表されました。

目次

• 水素は粒子と波の境界がとても曖昧
• 「水素がいつ粒子になり、いつ波になるのか」鍵は結晶だった
• 量子トンネル効果を2点の溶け合いと考える

水素は粒子と波の境界がとても曖昧

水素は、この宇宙で最も軽い原子です。

そのため水素は「小さな粒（ボール）」としてだけでなく、電子のように「波」としての性質が、ほかの原子核よりも表に現れやすいという特徴を持ちます。

同じ水素が粒子のときは「今、ここに1個ある」と言える状態になり、波のときは「ここにも、あそこにも、ぼんやり広がっている」という状態になるのです。

ここでいう「波」とは、揺れて進む海の波のことではありません。

量子の世界では、そもそも水素の居場所がはっきり一点に決まらず、「このあたりにいそう」としか言えないという意味なのです。

この「いそうな度合い」を、濃いところと薄いところとして空間に塗り分けると、輪郭のない、ぼんやりとした「存在確率の雲」ができあがります。

水素が「波」であるとは、要するに、この雲のように居場所がにじんで広がっているということなのです。

先ほど触れた「幽霊のような状態」とは、まさにこの雲のように、水素があちこちに同時ににじんでいる姿のことでした。

そして、この波であることの「特技」が、量子トンネル効果と呼ばれる現象です。

ボールを壁に投げつければ、当然ながら跳ね返ってきます。

ところが波は、壁で完全には止まりきりません。

雲の「裾」が、壁の向こう側にまでほんのり染み出してしまうことがあるのです。

裾が向こうに届いているということは、「壁の向こうで水素が見つかる可能性がゼロではない」ということです。

だから、壁の手前にいたはずの水素が、越えられないはずの壁の向こうに、ふっと姿を現す――そんなことが起こりうるのです。

では、水素はいったい、いつ粒になり、いつ波になるのでしょうか。

その答えを得るため、研究者たちはバナジウムという金属を用意しました。

バナジウムの原子は規則正しく並んで結晶をつくっていますが、原子と原子の間にはわずかな「隙間」があり、水素1粒がちょうど収まる大きさになっています。

水素にとってバナジウムの結晶は、建物中にびっしりと座席が敷き詰められた、巨大な映画館のようなものと言えるでしょう。

そのためバナジウムは水素を大量に吸収（吸蔵）できる金属として、水素を貯蔵する手段への応用が期待されています。

ところが、バナジウムの中で水素がどのように動き回るかについては、まだ分かっていないことがありました。

とりわけ実験データが乏しかったのが、低温の世界です。

温度が高ければ、水素は高い運動エネルギーによって席から席へ移動していきます。

ところが温度をぐっと下げていくと、熱の力による乗り越えは、だんだん起きにくくなります。

その代わりに顔を出してくるのが、量子的な効果による席替え（トンネル効果）です。

席と席が適度に近く、存在確率の雲の端が隣の席にわずかにかかれば、水素は席替えを起こすことができるからです。

ただ、このような低温の世界で、水素がどこまで「粒子」として動き、どこから「波」として動き始めるかは、十分に理解されていませんでした。

水素の動き方の種類と速さは、材料としての性能を左右します。

そのため、「水素がどのような仕組みで、いつ速く動くのか」を解き明かすことは、応用のうえでも大切な宿題だったのです。

「水素がいつ粒子になり、いつ波になるのか」鍵は結晶だった

そこで今回、研究チームはまず、約マイナス238度（35ケルビン）という極寒の中で、極薄のバナジウム膜を用意し、そこへ水素を撃ち込みました。

温度が高いと、水素は熱エネルギーを借りて、壁を勢いよく乗り越えてしまいます。

これは粒子としての、いわば力ずくの移動です。

ところが、キンキンに冷やして熱の力を大幅に弱めれば、この力ずくの乗り越えは、ほとんど起こらなくなります。

にもかかわらず、水素が速く動くなら、熱による乗り越えだけでは説明がつきません。

そこで、波として壁を「すり抜ける」量子トンネルが、有力な候補として浮かび上がります。

極寒は、水素の隠れた「波の顔」をあぶり出すための、巧妙な舞台装置だったのです。

この状態で研究者たちは、水素がどれくらいの速さで広がるかを実験で調べました。

すると、水素が多い領域と少ない領域とで、動き方が大きく異なることが見えてきました。

まず、水素がまばらにしか存在しない領域では、水素はあっという間に膜全体へ広がりました。

計算によれば、1秒の間に、およそ33マイクロメートルの範囲まで広がれるほどの速さでした。

これは膜の厚さ40ナノメートルの約800倍であり、隣り合う席と席の間隔に換算すると、およそ30万個分にも相当します。

極寒の中でこれほど広がれたのは、トンネル効果が働いていたからです。

一方、水素がぎっしり詰まった状態では、水素はトンネル効果による動きをほとんど見せませんでした。

では、まばらな状態と混雑した状態とでは、いったい何が変わっていたのでしょうか？

答えは、結晶の「形」でした。

水素がまばらなとき、バナジウムの結晶は、きれいに整った立方体の形を保っています。

角がそろった、几帳面に片付いた部屋のようなものです。

このとき、水素にとっての席は、隣もそのまた隣も「瓜二つ」です。

実はトンネル効果は、トンネルの入り口と出口の状態が似ていると、起こりやすくなることが知られています。

普通、私たちは「動くもの」と「その行き先」を、別々のものとして考えます。

ボールがどこへ飛ぶかはボールの投げ方次第であり、壁の向こうの床がどうなっていても、飛んでいくボールには関係ないと思うでしょう。

ところが量子的な波の状態にある水素にとっては、今いる席の状態と移動先の席の状態とが、分かちがたく結びついています。

行き先の席が今いる席と同じ状態にあれば、水素の波は行き先でも同じ状態になりやすく、響き合うようにして向こうへにじみ出やすくなるからです。

波の言葉で言い換えれば、水素の波は席と席の間で「つながって」初めて、向こうへ流れ込めると言えるでしょう。

そのため、2つの席の状態がそろっているほど、そのつながりも生じやすくなります。

ところが、水素をぎっしり詰め込むと、結晶内部に多数の水素が入り込んで、結晶の形が変わってしまいます。

結晶というと、水晶のように動かない固体を思い浮かべるかもしれません。

しかし金属の結晶格子は、原子がバネでつながった柔らかい骨組みのようなものであり、隙間に何かが入れば、たとえ水素のように小さなものでも、その形を変えます。

その結果、きれいな立方体が、一方向に伸びた箱形へとゆがみます。

すると、先ほどまで瓜二つだった席が、ちぐはぐな状態になってしまいます。

こうして、席と席をつなぐ波がつくられにくくなり、トンネルも起こりにくくなるのです。

こうなると、熱の力で壁を乗り越えることも、もはや容易ではありません。

その結果、ゆがんだ結晶では、波としての近道であるトンネルが強く抑え込まれ、熱を使った移動も、低温ではひどくのろのろとしか進まなくなったのです。

量子トンネル効果を2点の溶け合いと考える

今回の成果は、水素という原子が波として移動するトンネル効果に、結晶の整い方が重要であることを示しました。

出発点と出現先に同じような状態の席が用意されていれば、水素は波として極めて速く動けるのです。

では、なぜ「席が似ていること」が、それほど決定的なのでしょうか。

この仕組みをより深く理解するには、量子トンネルを「壁抜け」と考えるよりも、「状態の混ざり合い」と考えたほうがよいでしょう。

水素が「左の隙間にいる状態」と「右の隙間にいる状態」があるとします。

量子力学では、この2つは独立ではいられず、量子力学的に結びついて混ざり合い、新しい状態をつくることができます。

これがトンネル、すなわち非局在化の正体です。

壁を抜けるというより、水素が左にいる可能性と右にいる可能性が、1つの波として重なり合うのです。

言葉を換えれば、左にいるのか右にいるのか、まだ確定していない1つの波になるわけです。

この混ざり合いは、水素の2つの行き先の状態が「瓜二つ」であるほど起こりやすくなります。

こちらとあちらが似ていればいるほど、水素にとって2つの隙間は「区別のつかない場所」になっていきます。

そして量子の世界では、区別のつかない2つの居場所は、もはや別々ではいられません。見分けがつかない以上、雲はどちらか一方をえこひいきする理由を失います。

えこひいきする理由がないのなら、雲は両方へ等しく身を委ねる――これが「広がる」ということの正体なのです。

また、エネルギーという視点から見れば、雲にとっても、両方に等しく広がった状態のほうが、片側だけに縮こまった状態よりエネルギーが低くなるとも言えます。

狭い場所に押し込められた波ほど、窮屈さの分だけ余分なエネルギーを抱えてしまいます。

だから、のびのびと両側に広がれるなら、そのほうが水素にとっては楽なのです。

これは、自然界の物事が、より低いエネルギーの状態へ落ち着こうとする、ごく一般的な傾向の表れでもあります。

しかし、こちらとあちらの状態が「ばらばら」では、それが難しくなってしまいます。

もし格子の対称性が水素の量子的な振る舞いを左右するのなら、逆に、材料の格子のゆがみ具合をこちらで設計することで、水素の動きを速めたり遅めたりと、意図的に操れる可能性が見えてきます。

これは、水素をためたり、運んだり、必要な場所へ拡散させたりする材料を設計するうえで、いわば羅針盤となる発見です。

最も軽い原子が見せる、粒と波という2つの顔。

その切り替えスイッチが、水素自身ではなく、それを抱く結晶の側の形にあったのです。

この意外な発見は、水素と金属という二者の関わり合いが、いかに繊細に量子の世界を形づくっているかを、改めて私たちに教えてくれます。

目に見えないほど小さな水素の「気まぐれ」の裏には、これほど整然とした理由が隠れていたのです。

参考文献

水素はいつ「粒子」になり、いつ「波」になるのか？――結晶対称性が量子トンネル現象を支配することを解明――
https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/5104/

元論文

Impact of crystal symmetry lowering on proton tunneling
https://doi.org/10.1038/s41467-026-75020-w

ライター

川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。

編集者

ナゾロジー 編集部