2018 Fiscal Year Research-status Report
Various ordering states in photo-induced phase transitions and the effect of the elastic interaction in the dynamics
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17K05508
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
西野 正理 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主幹研究員 (80391217)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮下 精二 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10143372)
末元 徹 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (50134052)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光誘起相転移 / 長距離相互作用 / 弾性相互作用 / フラストレーション / 臨界現象 / スピンクロスオーバー / ユニバーサリティクラス / 核生成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光などの外部刺激により相転移を示す物質系としてスピンクロスオーバー（SC)化合物などに注目している。そのスイッチングにおいては、電子状態と格子の結合のため、分子ユニットの状態変化に伴い局所体積変が生じる。その際の格子歪みにより生じる弾性相互作用が、この系の協力現象に重要である。申請者のこれまでの研究から、この弾性相互作用は実効的に長距離に及ぶことを明らかにしている。前年度までに、中間温度領域で低スピンと高スピン分子の交替相が実現する２段階転移型のスピンクロスオーバー系モデルの相図において、角（つの）型の異常な構造が出現する事を見いだしている。これは、反強磁性様短距離相互作用と弾性相互作用由来の長距離相互作用との競合における非自明な効果だと考えられる。そこで、本年度は、この角型構造の発生機構、熱力学的構造を明らかにするため、弾性相互作用を無限レンジ強磁性様相互作用(IALR)に置き換え簡単化したモデルについて相図の詳細を調べた。尚、このモデルにおいても異常な角型構造が発生することは確認している。このモデルにある種のクラスター平均場を用いて変分自由エネルギーを評価し、その準安定構造を詳しく調べた。その結果、この構造の出現には多サイトのクラスターによる局所的な揺らぎが重要であること、強磁性様相、反強磁性様相、無秩序相が共存する三重点が存在し、角型構造に関わる6つの3重安定領域が現われることが明らかになった。また、いくつかの特徴的な一次転移の終点が現われることも分った。モンテカルロ法の結果も参照し、３重安定領域について、３つのシナリオがあり得ることを提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光励起と緩和により生じる準安定状態の知見を得るには相図の各領域での自由エネルギー構造の詳細を知る必要がある。我々は、前年度までに２段階転移型のスピンクロスオーバー系において、準安定領域を含んだ相図を示している。特に、弾性相互作用が比較的強い場合は、異常な角型の構造が相図が現われることを見いだした。今回、新たに、角型構造が現われる機構の解明を行い、角型領域の周りに生じる多重安定性構造を発見をした。この角型構造に関わる6つの3重安定領域が現われうることが分った事は、予想を超えた成果である。この詳細な相図を得たことで、温度変化による２段階転移の可能なパターンの分類も可能になり、新たな２段階転移も見いだすことが出来た。また、この系に内在する複雑な自由エネルギー構造が明らかになったことは、光励起と緩和で現われうる準安定状態に関して有用な知見となっている。光励起効果を、一段階転移（シンプルな）スピンクロスオーバー系弾性相互作用のモデルに取り入れて、確率過程による時間発展の方法で光励起後の電子系、格子系へのエネルギーの散逸過程を調べている。現在までに２次元系に対して、光励起強度、光照射の仕方を変えて、高スピン状態秩序、格子定数の時間変化を観察し、実験で見られる光励起閾値特性、非線形性の特徴、弾性ステップのおおよその特徴は捉えられている。上記のように、おおむね順調に研究が推移している。今後更なる機構の解明を進めていきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、高スピン秩序化において複雑な多段階転移を示す系の相図を調べる予定である。準安定状態を含めて相図を詳しく調べることにより、光誘起準安定秩序相の条件や可能性について考察を深めていく。また、幾何学的フラストレーションが生じる場合の秩序化についても解析を進める。フェムト秒レーザーの光励起によるスイッチング現象のダイナミクスの理論、計算方法の開発、改良も行っていく。光励起後の高いエネルギー状態が緩和によって、スピン、電子系、格子系のエネルギー（温度）にどのように分配されていくか、より微視的な考察と解析を行ってモデルを洗練させていく。そして、光励起による核生成および成長の機構について考察し、相変化の光励起閾値特性、非線形性の機構を明らかにしていく。３次元系モデルで大きな系を取り扱えるようにシミュレーション手法やプログラムの大規模化へ向けた改良、拡張も行っていく。また光学応答など、実験的に検証する方法の考案も行っていく。
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| Causes of Carryover |
当該年度は計算機の増設を予定していたが、手持ちの計算機で計画が進んだこと、また、次年度は予定より人件費が必要になる見込みのため、次年度に使用することにした。使用計画は、次年度分と合わせて、主として計算機部品及び人件費に使用する予定である。
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