大型放射光施設 SPring-8

公開日

2018年01月26日

2018年1月25日
名古屋大学
量子科学技術研究開発機構
高輝度光科学研究センター

【ポイント】
・ 圧力下の詳細な電子状態の議論を可能とする精密な結晶構造を圧力下単結晶X線回折実験によって決定した
・ 大型放射光施設SPring-8における圧力下電子物性解明手法の新たな展開が期待される

【研究背景と内容】
　我々の現代社会を支えているテクノロジーには多くの機能性材料が使われています。これらの材料は様々な原子により構成されていますが、電気が流れる、磁石になるといった“機能”は原子間の相互作用によって理解されます。従って、原子の空間的な配置状態を知ることは、機能を理解し、新しい機能性材料を創生するために重要です。材料の中でも原子の配列が周期性をもっているものを結晶、その配列を結晶構造と呼びます。結晶構造と一口に言っても、隣り合う原子間の間隔は10億分の1 メートルのオーダーであり、光学顕微鏡で直接観察することはできません。現在、結晶構造解析の手法として最も主流なのは、原子間隔程度の波長のX線を使って、原子の持つ電子による散乱・回折現象から結晶構造を解析するX線回折実験です。最近では大型放射光施設の進歩もあり、単結晶試料を用いたX線回折実験を行えば、その後の計算処理はほとんど自動で結晶構造を決定することが可能になってきています。
　ところで、原子間の相互作用を様々な条件を変えて、興味深い物性を示す物質を探索する一つの方針として、圧力下でどのように機能が変化するかという研究手法は昔からよく知られています。例えば、物質に圧力をかけると1気圧では電気を流さない物質が、ある圧力以上の環境下では導電体・超伝導体になるなど、通常現れない新奇で多彩な物性が現れることがあります。そして、その中には将来、我々の生活を一変しうる新奇な物理現象が潜んでおり、これを正しく理解することが大変重要です。しかし、このような特殊な環境下において原子配置を正確に知るためのX線回折実験はそう簡単ではありません。例えば、高圧容器内の試料を用いたX線回折実験を行う場合、試料のみならず圧力容器によってもX線が散乱されてしまい、試料のみからの散乱強度を精確に計測するのが困難であるなど、圧力下単結晶X線回折は実験技術と解析手法が十分整備されておらず、精密な結晶構造解析の報告は比較的単純な物質に限られていました。
　大型放射光施設SPring-8のBL22XUに設置されたダイヤモンドアンビルセル回折計は、高エネルギーX線を低温、高圧下におかれた単結晶試料に照射することにより、高輝度・高分解能の回折データを得ることを目的として開発された装置です（図1)。我々は、良質な単結晶を準備し、この装置を用いて、複数の物質からの散乱をそれぞれ個別に抽出するデータ解析法を開発して注意深く丁寧に解析をすることで精密に結晶構造を決定する手法を確立しました。
　このような圧力下単結晶X線回折実験の対象として、我々は、積層構造を持つTa₂NiSe₅を取り上げました。この物質は“励起子絶縁体”という非常に珍しい電子状態が実現している数少ない候補物質の一つで、現在、その物理現象の解明に向けて世界中で研究が行われています。また、最近では、高効率の赤外線検出器としての応用も注目されています。圧力に対する変化も興味深く、この物質に室温で圧力をかけていくと、約3万気圧で物質の状態が変化する相転移という現象が電気伝導の測定で示唆されました。この圧力による相転移の機構解明のために、圧力下の精密な結晶構造の解析を試みました。よく用いられる粉末試料を用いたX線回折実験では、雲母¹⁰⁾のような層状化合物であるため、均質な粉末化が困難というこの物質特有の問題によって精密な構造解析が困難でした。精密な電子状態の解明まで視野に入れると、単結晶試料を用いた圧力下X線回折実験がどうしても必要だったわけです。
　解析によって得られた3万気圧前後での結晶構造を図2に示します。図2(a)(b)は1気圧での結晶構造を二つの方向から見た様子、(c)(d)は3万気圧以上での結晶構造の様子です。b軸方向が積層方向で、層の間は弱いファン・デル・ワールス力¹¹⁾で結ばれています。青の点線は繰返し周期を表す単位胞¹²⁾で、これが無限に繰り返されることで結晶構造は定義されます。1気圧の結晶構造と3万気圧以上での結晶構造を見比べると、この単位胞の大きさがb軸方向におよそ半分になっていることが分かります。(b)(d)を見比べると、3つの層の真ん中の層がa軸方向に半周期だけ“スライド”していることが分かりました。また、単位胞が半分になっているということは、このような層のスライドが結晶全体でコヒーレント¹³⁾に起きているということであり、大変驚くべき結果でした。圧力下でこのような構造相転移が生じているという報告は、未だかつてありません。この新奇な相転移現象の機構についても、精密な構造データを得たことで解明することが出来ました。すなわち、圧力によってファン・デル・ワールス力で繋がる層間のSeの距離が近づくことに着目し、この層スライド転移の起源がSeの幾何学的な空間配置状態のクーロン相互作用による不安定性にあることを突き止めました。このような起源での相転移はこれまで報告がなく、結晶学的にも興味深い現象です。

【成果の意義と将来】
　今回、我々の研究チームは単結晶を用いた圧力下X線回折実験によって、相転移の起源を議論できるだけの十分な精度の結晶構造解析が可能であることを示すことに成功しました。我々の研究チームが立ち上げた実験・解析手法を他の物質系にも適用することで、これまで結晶構造が未解明であるために正しく理解が進んでこなかった様々な系の圧力下新奇現象の解明に大きく貢献することが期待されます。更に、高圧下での物性測定によって機能性材料を探索している合成化学者にとっても、大変有利な解析手段を提案できることになりました。

【用語説明】
1）大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転と利用者支援は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

2）単結晶X線回折実験
単結晶とは結晶のどの位置でも結晶軸の方向が変わらないものである。単結晶を用いてX線回折実験を行うと、結晶格子内の各原子の位置について非常に高精度かつ多くの情報を得ることができる。この測定の対として粉末X線回折実験があり、結晶軸がバラバラの異なる多結晶を用いて行われる。単結晶が得られていない物質や高圧などの極限条件下ではこの方法が主に用いられるが、情報量やその精度は単結晶回折実験に及ばない。

3）結晶構造解析
結晶中の原子の種類、原子の位置と配列の仕方と対称性を決定すること。

4）外場
物質の近傍・周囲に外部から連続的に影響を与える空間のこと。例えば磁場、電場、圧力などがあげられる。

5）相転移
物質の状態が変化すること。例えば水が氷になったり水蒸気になったり、物質の性質が導電体から絶縁体に変化したりすることの総称。

6）遷移金属
周期表で第3族元素からから第11族元素の間に存在する元素の総称。例えば、鉄、チタンも遷移金属の一種。

7）層状化合物
原子レベルでの二次元的配列が積層して結晶構造を形成している物質のこと。例えば、グラファイト、鉄砒素系超伝導体など。

8）励起子絶縁体
物質中の正電荷を持った正孔と負電荷をもった電子とが引力によって引き合うことで電気が流れなくなっている状態。1960年代から理論的に予見されていたが、近年になって様々な実験的な証拠が提出されつつあり、物性物理学分野でのホットトピックスの一つ。

9）クーロン相互作用
荷電粒子間に働く反発、または引き合う相互作用。その大きさはそれぞれの電荷の積に比例し、距離の2乗に反比例すること（逆2乗の法則）は電磁気学の基本法則。

10）雲母
ケイ酸塩鉱物のグループ名。薄くはがれるのが特徴。

11）ファン・デル・ワールス力
分子間力のうち、帯電していない中性の分子または原子同士の間に働く双極子相互作用。

12）単位胞
結晶は単位胞(ユニット セル)と呼ばれる構造単位が3次元的に繰り返されてできている。

13）コヒーレント
位相が揃っていること。この文章の中では、単位胞の配列が巨視的に揃っていることを指す。