2019 Fiscal Year Research-status Report
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18K18928
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
増野 敦信 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (00378879)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 無容器法 / 希土類酸化物 / 磁気光学効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無容器法で合成した高充填密度ガラスに高温高圧処理を施すことで，ガラスでは決して発現しないとされている強磁性を示すガラス，「透明ガラス磁石」を創り出す．透明ガラス磁石の実現は，「結晶における並進対称性に起因する物性は，ガラスのような非晶質材料では発現しない」という常識から，ガラスを解き放つものであり，物質科学の体系を変革し転換させる．また，強い磁気光学効果により高性能光アイソレータとしての応用に繋がることから通信分野に革新をももたらすことになる．
これまでにR2O3-B2O3二元系（Rは希土類元素）で，無容器法を用いることで従来のB2O3リッチ組成だけでなく，R2O3リッチ組成でのガラス化を見いだしていた．平成31年度は，それらの物性や構造について各種実験から評価し，物性と構造，さらにはガラス形成能との相関を詳細に議論することができた．R2O3リッチガラスでは，Rの種類によらず赤外域に新たな透過域が出現していた．ラマン散乱やFT-IRの結果から，これらのガラス中のBの局所構造が，孤立した平面BO3のみになっていることがわかった．そしてこのことが振動成分の種類を抑制し，赤外域でのフォノンの離散化を促した結果，赤外域での新たな透過域の出現に繋がったことを明らかにした．さらに放射光XRDの結果をpair function法により詳細に分析したところ，R2O3リッチガラスの希土類周囲の構造が，数あるRBO3結晶構造のなかの一つ，高温NdBO3型とほぼ類似していることを確認した．このことから，なぜR2O3リッチ組成でもガラス化するのかがわかってきた．
また，50Dy2O3-50B2O3などいくつかの試料について磁気光学効果を測定したところ，一般的な磁気光学ガラスを遙かに凌駕する大きなベルデ定数が得られた．
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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
平成31年度は，R2O3リッチホウ酸塩ガラスについて，物性測定だけでなく多様な構造解析を行うことによって，物性と構造，さらにはガラス形成能との相関についてまで議論することが可能となった．このガラスは従来のガラスの常識からかけ離れた極めて単純な構造を有しており，なぜガラス化するのかは大きな疑問であった．本研究により，従来のガラス形成則とは全く異なる観点から，ガラス化を議論することに成功したことは，大きな成果である．また，数多くの合成実験を行うことで，ガラスの品質が向上し，結果の再現性が確保されるようになってきた．さらに雰囲気制御したアニールを施すことで，希土類イオンの価数を精密に制御することが可能となった．これにより，磁性の議論をより明確にすることができる．
その他，希土類を高含有できると考えられるいくつかの組成についてもガラス化を試みた結果，TiO2系，Nb2O5系，WO3系，Ga2O3系で磁性を有するガラスの合成に成功した．
50Dy2O3-50B2O3などいくつかのガラスについて，磁気光学効果を測定したところ，一般的な磁気光学ガラスだけでなく，市販のGd3Ga5O12結晶を遙かに凌駕する大きなベルデ定数が得られた．強磁性体化に至る候補物質が得られたと考えられる．
以上のように，すでに数多くの新しい磁性ガラスの合成に成功していること，その構造解析から興味深い議論が導き出せたことなどから，本研究課題はおおむね順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
希土類ホウ酸塩ガラスについては，すべての希土類に対してガラス化範囲を決定し，構造解析をもとにそのガラス形成能も議論することができた．今後は磁性イオンを含有する組成のガラスすべてについて，磁気光学効果を測定する．磁気光学効果の測定には現在別機関の装置を使っているが，当研究機関でも同様の装置を組み上げ始めている．完成すれば大量に合成したガラスに対して，速やかにデータが得られると期待できる．
R2O3リッチホウ酸塩ガラスの構造解析には，これまで実験結果を用いていた．次のステップとして，分子動力学シミュレーションによってこれらの構造データをよく再現する構造モデルの作製を行っている．ポテンシャルの最適化が終われば，希土類イオンの局所構造が決定できる．この情報は，希土類イオンの準位が周囲の結晶場によって分裂する状況を理解することに繋げられ，さらにはどれだけ磁性が強く発現するかを議論するベースとなる．これまでにTiO2系，Nb2O5系，WO3系，Ga2O3系において，磁性希土類高含有組成でのガラス化に成功した．これらについては，まず磁性を計測することが必要である．極低温から室温までの磁気特性から，磁気モーメントの大きさを評価する．強磁性体化を目指すためには高圧実験は重要である．現時点では実験環境は整えられていないので，別機関の装置を借りて実験を行う予定である．最終的にはダイヤモンドアンビルセルと，磁気光学効果測定装置を組み合わせることで，ガラスの磁性に対する圧力効果をその場観察し，強磁性体化の確認を目指す．
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| Causes of Carryover |
今年度に投稿予定だった論文の原稿の完成がずれ込んでおり，英文校正の料金が不要となったため次年度使用額が生じた．現時点（2020年4月）ですでに原稿は完成しており，英文校正を行っているところである．翌年度分として請求した助成金に英文校正代を追加する形となるので，それ以外については使用計画に変更はない．
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