固体酸素高圧相の結晶構造解析と物性

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10440093
• Research Institution: Himeji Institute of Technology
• Principal Investigator: 赤浜 裕一 姫路工業大学, 理学部, 助手 (90202522)
• Keywords: 固体酸素 / 超高圧 / 金属化 / 分子解離 / 分子磁性 / X線結晶構造解析 / ラマン散乱 / 赤外吸収スペクトル

Research Abstract

軽元素の等核原子分子、H_2,O_2やN_2からなる分子性固体の圧力誘起金属化や分子解離の研究は固体物性学や化学結合論の見地から重要なテーマである。特に、固体酸素はその構成分子、O_2の基底状態が三重項の常磁性であることから高圧相の電気磁気的性質が注目されている。最近、我々は金属化に対応する95GPa高圧下で固体酸素が構造相転移を起こすことを明らかにしている。
本研究では、固体酸素の磁性、金属化そして分子解離をテーマに高輝度放射光を使ったX線回折実験による構造相転移の研究、そしてラマン散乱と赤外吸収実験による振動分光の研究、さらに光学反射実験を行い、以下のことを明らかにし、その成果を発表した。
[1]金属化が起こる96GPa近傍で詳細なX線回折、ラマンと赤外分光及び光学反射実験を行い、金属化がε-ζ構造相転移(一次転移)に原因すること、この転移がsluggishで高圧金属相の反射スペクトルが異方性を持つことをつきとめた。この結果は、極最近発見された超伝導の機構と密接に関係する。
[2]固体酸素ε相の単結晶育成に成功し、この結晶を使った赤外分光測定により、酸素分子の配向と分子間の相互作用を反映した光学異方性(二色性と偏光特性)が初めて明らかになった。
[3]固体酸素の極低温 (19K)X線実験により、低温下での温度-圧力相図が12GPaまで確立された。αとδ高圧相の構造パラメータにおける圧縮異方性が明らかにされ、両相において、酸素分子の磁気モーメントは反強磁性秩序を持つことが示唆された。
[4]β相の単結晶育成に成功し、X線精密構造解析の結果、酸素分子の分子軸がc軸に対してdisorderしていることが明らかになった。この結果は分子磁性解明の上で重要な構造データと言える。
[5]酸素と同じ分子性固体である黒リンの金属化と構造相転移が対照実験として行われた。

Research Products

• [Publications] Y.Akahama and H.Kawamura: "High-Pressure Infrared Spectroscopy of Solid Oxygen"Physical Review B. 61・13. (2000)
• [Publications] Y.Akahama et al.: "Structural Transitions in Phosphorus to 280 Gpa"Physical Review B. 61・5. 3139-3142 (2000)
• [Publications] Y.Akahama et al.: "Optical and Structural Studies on Solid Oxygen High-Pressure Phases"Pro.The 17th AIRAPT Int.Conf.High Pressure Science and Technology,Honolulu. (1999)
• [Publications] K.Nakano and Y.Akahama: "Ruby Scale at Low Temperatures Calibrated by NaCl Gauge"Pro.The 17th AIRAPT Int.Conf.High Pressure Science and Technology,Honolulu. (1999)
• [Publications] Y.Akahama et al.: "Simple Cubic-Simple Hexagonal Transition in Phosphorus under Pressure"Physical Review B. 59・13. 8520-8525 (1999)