【プレスリリースのポイント】

• 国際宇宙ステーション（ISS）「きぼう」日本実験棟搭載の静電浮遊炉と大型放射光施設SPring-8の高エネルギーX線を利用して、超高融点（2413℃）の酸化エルビウム（Er₂O₃）液体の原子配列と電子状態を測定することに世界で初めて成功しました。
• スーパーコンピュータを用いた大規模理論計算と先端数学から、ガラスにならないことが知られているEr₂O₃液体には、結晶に似た（高い周期性を持つ）構造が存在することが明らかになりました。これは、液体は長距離まで続く周期性を持たないという従来の定説を覆す発見です。
• 本研究で利用された手法や知見は、新たな材料開発や高温液体から生成される物質の成り立ちへの理解につながることが期待されます。

【概要】

宇宙航空研究開発機構、琉球大学、物質・材料研究機構、京都大学、ノルウェー科学技術大学、弘前大学、函館工業高等専門学校、東北大学金属材料研究所、エイ・イー・エス、高輝度光科学研究センター、理化学研究所からなる国際共同研究チームは、「きぼう」の静電浮遊炉「ELF」^＊１（図１）における液体の微小重力下無容器密度計測、大型放射光施設SPring-8^＊２ の高エネルギーX線を用いた浮遊法による無容器構造計測、ノルウェーグループのスーパーコンピュータを用いた大規模理論計算を併用し、さらに先端数学(パーシステントホモロジー)^＊３を利用しながら、ガラスにならない液体として知られている酸化エルビウム(Er₂O₃)液体（融点：2413℃）の原子配列と電子状態を世界で初めて解明しました。

Er₂O₃液体は、歪んだOEr₄クラスターをはじめとする多様な多面体から構成され、極めて原子の充填率が高く、液体であるにもかかわらず高い周期性を持っていることが明らかになりました。これは、液体には、構造周期性がなくランダムであるという従来の定説を大きく覆す発見です。さらに驚くべきことに、得られた構造モデルに先端数学を適用したところ、Er₂O₃液体はEr₂O₃結晶と位相幾何学的に相似の構造が存在することが明らかになりました。

本研究で得られた高温液体構造に関する原子・電子レベルでの理解は、高温液体から生成されるガラスやセラミックス材料の開発や、高温液体であるマグマから鉱物が形成される過程、つまり地球の成り立ちの理解への道筋を示す重要な知見となり得ます。なお本成果は、2020年6月2日（日本時間）に英国科学雑誌「NPG Asia Materials」にオンライン掲載されました。

【用語解説】

＊1　静電浮遊炉ELF　（Electrostatic Levitation Furnace）（図1）
静電浮遊炉は、電極間で発生する静電気の力を利用して容器を用いずに試料を浮遊させ、自在に移動、静止させることができる装置。JAXAのグループによってISS「きぼう」日本実験棟に搭載されました。加熱レーザーと組み合わせることで、高純度を保ちながら、溶融したサファイアや半導体酸化物をはじめとする超高温液体を生成することができます。また試料全体を観察できるため、密度をはじめとするマクロな（熱）物性を高精度で調べることができます。（参照https://iss.jaxa.jp/kiboexp/equipment/pm/elf/）

＊2 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、理化学研究所が所有する放射光施設で、その利用者支援等は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来します。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です。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を行っています。

＊3 先端数学
パーシステントホモロジーと呼ばれる、データの幾何的情報を定量的に特徴付けることのできる手法。トポロジーという数学分野の理論を応用した手法です。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究内容に関して）
東北大学金属材料研究所
結晶材料化学研究部門
岡田純平
TEL：022-215-2102
Email：junpei.t.okada*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関して）
東北大学金属材料研究所　情報企画室広報班
TEL：022-215-2144
FAX：022-215-2482
Email：pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）