【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】26246039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

氷 / 高圧 / 中性子回折 / 低温 / 地球化学 / 水素結合 / 量子ビーム / 惑星起源・進化 / 惑星起源･進化

【研究成果の概要】

本研究では、低温条件で自在に圧力を制御可能な中性子回折観察用の高圧発生装置を開発し、これを用いて低温高圧下で安定な氷の構造と物性に関する知見を得ることを目的とした。
クライオスタットと液体窒素冷却とのハイブリッドシステムを高圧発生装置に適用することで、温度下限を40 K程度まで拡大し、これまで未踏であった条件での高圧下中性子回折測定が可能となった。本研究で開発された装置を用いることで、氷VII相に塩が多量に取り込まれるプロセスの解明や氷VI相に対応する秩序相の生成メカニズムに関して顕著な成果を得ることができた。

【研究の社会的意義】

氷は身近にありふれた物質であるにもかかわらず、未解決問題を多く有する奥が深い物質である。本研究では低温条件で自在に圧力を制御できる高圧発生装置を開発し、任意の条件で氷の中性子回折パターンを測定し、これまで未解決であった氷の問題②正面から取り組んだ。本研究で得られた成果は、氷の結晶構造に見られる水素原子の無秩序ー秩序相転移に関して、新しいモデルを提案することになった。また、本研究により氷VIIに多量の塩が入るメカニズムが明らかになった。これらの研究成果により、氷の未解決問題に解答を与えることができ、基礎化学に大きな発展をもたらした。また、本研究は氷惑星の内部物性の理解にも大きな貢献をもたらす。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,600千円 (直接経費: 32,000千円、間接経費: 9,600千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】07554056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

多重極限 / 低温・高圧 / 低温・高圧・磁場 / 低温 / 高圧 / ヘリウム / ダイヤモンドアンビル / ピストンシリンダー

【研究成果の概要】

最近注目されている高温超伝導体、ヘビーフェルミオン系物質、有機物質などで見い出された異常な現象は固体内の電子、原子、イオン間の種々の相互作用が拮抗した中で発現しているのが特徴である。これらの異常現象を解明するには要素間の相互作用を温度、磁場、高圧の外部パラメータによって人為的に制御し、その現象の機構を調査、研究することが重要である。
このような背景のもとに本研究課題は外部パラメータとして温度と高圧を選び、精密な低温・高圧発生装置の試作をめざした。低温での圧力発生は極めて困難である。測定する試料に圧力を印可するには圧力媒体を用いるが低温高圧下ではヘリウムといへども固体となり、静水圧性が失われるのみならず、試料を破壊させてしまう。このような事情を理解した上で高圧装置を試作しなければならない。
我々はまず、ヘリウムが液体で存在できる低温で0〜29気圧の圧力範囲で動作する圧力発生技術を確立し、液体ヘリウム3の超流動状態の測定に成功した。次いで、超低温で一軸応力を発生できる装置を開発するためにヘリウムを用いたべローズによる駆動装置を作成し、有機物超伝導体α-(BEDT-TTF)_2KHg(SCN)_4の電気抵抗を34mKまで測定することに成功した。さらに高い圧力を発生させる方法としてヘリウムガスをピストン・シリンダー装置を用いて直接加圧する計画を立てたが、圧力発生装置が大がかりとなり、設置するには「高圧ガス取り締まり法」に抵触する事が分かり、この方法は断念せざるを得なかった。高圧を発生させる他の方法としてダイアモンド・アンビルを用いることを検討し、低温で圧力発生の駆動装置として多段ベローズ方式とメンブレム方式を採用した。これらはいずれも30GPaの圧力を超低温・強磁場下で発生させる、いわゆる多重極限環境発生装置で今後の物性研究の主力技術として期待されている。多重極限環境発生装置としてブリッジマン・アンビルを用いた装置、キュービツク・アンビルとX線発生装置と組み合わせたもの、低温・高圧・磁場下での磁気測定の装置なども開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】6,400千円 (直接経費: 6,400千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】04640352 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

相転移 / 放射光 / 化合物半導体 / 超高圧 / アモルファス化 / 高圧 / 低温 / X線回折 / 半導体 / 準安定相

【研究成果の概要】

放射光を用いて、低温高圧下でのX線回折実験を行い、圧力および温度を変化させたときの相転移について調べた。低圧結晶相から高圧結晶相への転移およびその逆の転移の他に、高圧結晶相からアモルファス相への転移が起こることを見出した。また、これらの転移の温度-圧力平面での経路依存性を調べた。
GaSbの高圧相は90Kの低温で減圧すると、低圧までクエンチされる。この高圧相は1GPa以下で昇温したときアモルファス相に転移し、1GPaより高圧で昇温すると常圧相のZnS型結晶相に転移する。また、高圧相を温度一定で減圧すると、270K以下ではアモルファス化し、それ以上の温度では常圧結晶相に転移する。
AlSbでは、同様なアモルファス化が2.5GPaおよび260K以下で観測され、この温度-圧力域以外では、常圧相への転移が観測される。InAs、およびCdTeでは、高圧相から常圧相への転移のみが観測される。
これらの結果を配位座標モデルを用いて解析し、相転移の温度変化から相転移の際に越えるポテンシャル障壁の高さを見積り、その圧力依存性を決定した。GaSbとAlSbでは、高圧相からアモルファス相へのポテンシャル障壁の高さの圧力微係数が常圧相へのものよりも大きいことが分かった。また、ある圧力でアモルファス相と常圧相へのポテンシャル障壁の高さの逆転が起こることを見出し、これによって転移の経路による違いを説明できた。
また、これらの結果を、これまで知られているSiおよびGeの結果とあわせて考察することにより、結合のイオン度が大きくなれば、常圧相へのポテンシャル障壁が低くなり、アモルファス化が起きにくくなることを明らかにした。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】500千円 (直接経費: 500千円)

【研究分野】固体物性

【研究領域課題番号】62540249 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

低温 / 高圧 / X線回折 / 相転移 / アモルファス半導体 / 超伝導

【研究成果の概要】

1.低温高圧X線用クライオスタットの製作:ヘリウムガス駆動式の圧力可変のダイヤモンドアンビル型超高圧装置を組み込める液体ヘリウムクライオスタットを製作し, 温度10-300K, 圧力0-20GPaでのX線回折実験を行った.
2.低温高圧下のリンのX線回折実験:黒リンは圧力下で斜方晶から菱面体晶, そして, 単純立法晶に相転移する. 単純立法晶は超伝導を示すが, その転移温度は温度圧力平面上での加圧経路により異なることが報告されている. 低温下での加圧により起こる相転移は転移圧力が高くなり, また低圧相がかなり高い圧力まで残った2相あるいは3相共存状態が続くことがX線回折実験により明らかになった. 室温での斜方晶から菱面体晶への転移圧力は約4.5GPa, 菱面体晶から単純立法晶への転移圧力は約10GPaであるが, 10Kではこの転移開始圧力が約10GPaおよび約15.5GPaとかなり高くなる.
3.水素化アモルファスシリコンのX線回折実験:結晶シリコンは約12GPaでダイヤモンド型半導体相からβ-Sn型金属相へ相転移する. アモルファスシリコンでは結晶より低い圧力で金属化転移が起こる. 室温でのX線回折実験により水素化アモルファスシリコンの圧力誘起相転移が次のように起こることがわかった. まず, 7.5GPaでβ-Sn型に対応するピークが現われ, 10GPa以上では急激に増加するが, 圧力をとり去ると元のアモルファス状態に可逆的に戻る. 対向アンビルでの加圧により出現した正方晶は今回の実験では現われなかった. 20GPaでは結晶シリコンで見られる単純六方晶の結晶に対応するピークが観測された. 低温での加圧実験については現在準備中である.

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1987

【配分額】1,600千円 (直接経費: 1,600千円)