構造量子臨界点付近の結晶性固体Ba1-xSrxAl2O4が結晶・非晶質両方の性質を併せ持つことを発見

構造量子臨界点付近の結晶性固体Ba_1-xSr_xAl₂O₄が結晶・非晶質両方の性質を併せ持つことを発見

2022年10月28日 14:00 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　准教授　南部雄亮
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

結晶質固体であるBa_1-xSr_xAl₂O₄が、構造量子臨界点付近の化学組成において、非晶質固体で一般に見られる低熱伝導率を示すことを発見。
原子配列にずれが生じることで、非晶質的な特性を引き起こすことを解明。
ロケット用断熱材等への応用が可能な、結晶と非晶質の性質を併せ持つハイブリッド材料実現が期待。

【概要】

大阪公立大学大学院工学研究科石井悠衣准教授、国立研究開発法人物質・材料研究機構佐藤直大研究員、森孝雄グループリーダー、東北大学金属材料研究所南部雄亮准教授、J-PARCセンター河村聖子研究副主幹、村井直樹研究員、公益財団法人高輝度光科学研究センター尾原幸治主幹研究員、河口彰吾主幹研究員らの研究グループは、Ba_1-xSr_xAl₂O₄（図1）の特定の原子振動が、構造量子臨界点付近の化学組成において乱れた状態で停止し、原子配列に部分的にずれが生じることで、結晶と非晶質両方の性質を併せ持つ状態になることを発見しました。

物質の性質が不連続に変化する現象を一般に相転移といい、結晶質固体が示す代表的な相転移として、結晶の構造が変化する構造相転移があります。通常、構造相転移は有限温度で起こりますが、結晶の化学組成をコントロールすることによって、構造相転移温度を絶対零度（摂氏−273度）まで引き下げることが可能であり、絶対零度でのこの相転移点は「構造量子臨界点」と呼ばれています。

本研究では、音波のような振動パターンを持つ原子振動（音響ソフトモード^※1）によって構造相転移する結晶質固体Ba_1-xSr_xAl₂O₄に着目し、構造量子臨界点を示すSr組成（x = 0.1）付近での結晶構造や原子振動の状態を、放射光X線、中性子を用いて解析しました。その結果、構造量子臨界組成より大きなSr組成を持つBa_1-xSr_xAl₂O₄は、明らかに結晶質固体であるにもかかわらず、石英ガラス（SiO₂ガラス）と同程度の低熱伝導率など、非晶質固体で一般に見られる熱特性を示すこと、また、それらの組成では、原子配列の一部が周期性を失っており、これによって原子配列にずれが生じ、非晶質的な熱特性を引き起こしていることを明らかにしました。本原理をさまざまな物質に適用することで、結晶の持つ光学的特性や電気伝導性と非晶質の持つ低熱伝導率の2つの性質を併せ持つハイブリッド材料の実現が期待でき、ロケット用断熱材などの宇宙産業にも応用可能であると考えられます。

本研究成果は、米国物理学会が刊行する国際学術誌「Physical Review B」に日本時間10月28日（金）に掲載されました。