宇宙産業等への応用が期待！構造量子臨界点付近の結晶質固体Ba1-xSrxAl2O4が結晶・非晶質両方の性質を併せ持つことを発見

2022年10月28日

プレスリリース
工学研究科

本研究のポイント

◇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。

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図1　BaAl₂O₄の結晶構造

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。

石井悠衣准教授のコメント

本研究で見出した原理・現象は様々な物質に適用可能であり、結晶と非晶質の性質を併せ持つ、ハイブリッド材料の開発が期待できます。例えば結晶の光学的性質や電気伝導性と、非晶質の持つ低熱伝導率を同時に実現するスマート材料の実現などが考えられます。また、熱に強いといった結晶としての性質を活かして、宇宙など過酷な環境での断熱材としても期待ができます。

掲載誌情報

【発表雑誌】Physical Review B
【論文名】Partial breakdown of translation symmetry at a structural quantum critical point associated with a ferroelectric soft mode
【著者】Y. Ishii, A. Yamamoto, N. Sato, Y. Nambu, S. Ohira-Kawamura, N. Murai, K. Ohara, S. Kawaguchi, T. Mori, S. Mori
【論文URL】https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.134111

プレスリリース全文 (977.8KB)

用語解説

※1　音響ソフトモード…結晶中の原子の熱振動のうち、音波のような振動パターンを持つものを音響モードという。そのうち、温度低下とともに振動周波数が徐々に減少するものを音響ソフトモードという。

研究内容に関する問い合わせ先

大阪公立大学大学院　工学研究科
准教授　石井悠衣（いしいゆい）
TEL：072-254-9509
E-mail：yishii[at]omu.ac.jp

東北大学金属材料研究所
准教授南部雄亮（なんぶゆうすけ）
TEL：022-215-2327
E-mail：nambu[at]tohoku.ac.jp

J-PARCセンター
研究副主幹河村聖子（かわむらせいこ）
TEL：029-284-4562
E-mail：seiko.kawamura[at]j-parc.jp

公益財団法人高輝度光科学研究センター
主幹研究員尾原幸治（おはらこうじ）
TEL：0791-58-2750
E-mail：ohara[at]spring8.or.jp
[at]を＠に変更してください

報道に関する問い合わせ先

大阪公立大学広報課
担当：竹内春奈
TEL：06-6605-3411
E-mail：koho-list@ml.omu.ac.jp

東北大学金属材料研究所情報企画室広報班
TEL：022-215-2144
E-mail：press.imr@grp.tohoku.ac.jp

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
広報部報道課長　児玉猛
TEL：029-282-0749
E-mail：kodama.takeshi@jaea.go.jp

J-PARCセンター
広報セクションリーダー　関田純子
TEL：029-284-4578
E-mail：pr-section@j-parc.jp

公益財団法人高輝度光科学研究センター
利用推進部　普及情報課
担当：冨松亮介
TEL：0791-58-2785
E-mail：kouhou@spring8.or.jp
[at]を＠に変更してください

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