大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年10月19日

2020年10月19日
名古屋大学
理化学研究所
台湾・國家同歩輻射研究中心

【発表のポイント】
● 原子間の距離は、物質の性質を決める重要なパラメータの一つ。
● 準結晶（および「近似結晶」）を構成する正20面体クラスター（下挿入図参照）のサイズを変えながら、クラスターの構成元素であるイッテルビウム原子の持つ性質を放射光エックス線で観測。
● 正20面体クラスターのサイズが僅か1000億分の1メートル変わると、準結晶（および近似結晶）の磁気的性質が30倍も変化することを発見。
● ナノテクノロジーを用いた新素材開発のための基礎的知見。

【研究背景と成果】
　我々の世界に存在する物質は、磁石になったり超伝導になったりと、多種多様な性質を持ちます。これらの性質をコントロールする重要な指標（パラメータ）の一つは、物質を構成する原子間の距離です。（量子力学の言葉を使えば、原子間距離は電子軌道の重なり具合を制御します。）例えば、固体酸素（電気を流さない絶縁体）に圧力をかけ原子間の距離を縮めると、電気を通す金属になります。
　一方、本研究に用いた物質（準結晶および近似結晶^注1と呼ばれる不思議な固体）を構成する基本要素は、通常の固体（結晶やアモルファス）における原子・分子とは異なり、上挿入図に示したような、（マトリョーシカ人形に似た）入れ子構造を持つ正多面体の原子集団（クラスター）です。その中の１つを抜き出したのが図1の正20面体（正3角形20枚からなる多面体）です。準結晶・近似結晶の磁性を決めるのは、正20面体の頂点を占めるイッテルビウム原子（レアアース金属^注2の一種）です。
　研究グループは、準結晶・近似結晶の多面体クラスターを構成する元素の組み合わせを変えることにより原子間距離を制御し、イッテルビウム原子の価数^注3が原子間距離とともにどのように変化するかを測定しました。実験は、大型放射光施設SPring-8^注4の非弾性エックス線散乱ビームラインBL12XUを用いて行われました。その結果、図2（上パネル）に示すように、ある臨界的なクラスターサイズ（厳密には図に示されている「格子定数」と呼ばれる物理量）のところで、価数が急激に変化することを発見しました。変化は急ですが、価数の変化量（2.82から2.34）は僅かです。しかし、このわずかな変化が大きな磁性の変化をもたらしていることが、図2（下パネル）から分かります。僅か1000億分の1メートル（10ピコメートル）のクラスターサイズの変化が磁性に桁違いの変化をもたらしたのです。基礎物理学的意味において重要なのは、この結果がクラスターの並び方（周期性^注5の有無）には依らないことです。

【成果の意義・今後の展開】
　準結晶・近似結晶では、熱電材料（排熱を電気に変える素子）や金属触媒（化学反応を促進させるための金属）といった様々な応用が期待されています。本研究で明らかにした正20面体クラスターの持つ性質は、これらの応用研究を支えるための基礎的な知見になると期待されます。

【謝辞】
　この研究は、文部科学省・科学研究費助成事業「価数揺動を利用したTsai型クラスターの磁性制御」（研究代表者：井村敬一郎 19K03715）、公益財団法人・豊田理化学研究所スカラー助成「価数揺動を利用した新規熱電材料物質の探索」（研究代表者：井村敬一郎）の支援を受けて実施されました。

【用語解説】