| Project Area | Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space |
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| Project/Area Number |
19H05819
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高倉 洋礼 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30284483)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
綿貫 徹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所, 副所長 (30343932)
松浦 直人 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 主任研究員 (30376652)
門馬 綱一 独立行政法人国立科学博物館, 地学研究部, 研究主幹 (30552781)
松下 能孝 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 副ステーション長 (70422441)
藤田 伸尚 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (70431468)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥172,380,000 (Direct Cost: ¥132,600,000、Indirect Cost: ¥39,780,000)
Fiscal Year 2023: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
Fiscal Year 2021: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2020: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2019: ¥109,850,000 (Direct Cost: ¥84,500,000、Indirect Cost: ¥25,350,000)
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| Keywords | 準結晶 / 近似結晶 / 補空間 / 静的構造 / 動的構造 / 高次元結晶 / 結晶成長 / 相形成 / 相安定性 / バーグマンクラスター / 高次元結晶構造解析 |
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| Outline of Research at the Start |
ハイパーマテリアルとは、準結晶や近似結晶など、補空間を含む高次元空間で統一的に記述される物質群をさす。高次元と高対称で特徴づけられるハイパーマテリアルの構造的側面に焦点をあて、その原子スケールからマクロスケールまでの静的・動的構造を組織的に解明する。実験室系X線回折による静的構造解析に加えて、複雑な構造モデルの可視化、ハイパーマテリアルの構造的特徴を抽出するためのトポロジー探索、放射光・中性子大型施設の最先端計測法を駆使した、相転移、散漫散乱、フォノン・補空間ダイナミクスの観測により、ハイパーマテリアルの詳細な構造的知見を得ることで「補空間が創る新物質科学」の構築という目標達成に寄与する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
高次元と高対称で特徴づけられるハイパーマテリアルの構造的側面に焦点をあて、その原子スケールからマクロスケールまでの静的・動的構造を組織的に解明し、その構造的知見にもとづいて、個々の物質群を越えて、ハイパーマテリアルが普遍的に示す安定化機構や、特異な物性機能を理解するための補空間物質科学の構築の基礎を与えるのが目的である。他の計画研究と協働し構造情報・補空間情報を共有することにより、本新学術領域が目指す「実空間では複雑怪奇なハイパーマテリアルの原子的挙動、磁気・電子・フォノン状態等を補空間で明快に記述することで、複雑な秩序に潜む隠れた法則性を高次元空間において描き出し、
新たな物質科学を創出する」という目標達成に寄与する。今年度はAl-Cu-Ru系準結晶の良質単準結晶の育成条件を明らかにするとともに、Al-Pd-TM（TM=遷移金属）系準結晶・近似結晶の相形成や構造に対する第三元素置換の効果を調べ、相安定性と遍歴電子濃度やｄ軌道占有率との相関性を見出した。さらに、Al-Pd-Cr-Fe系等における高次近似結晶相が深い擬ギャップを持つことを硬Ｘ線光電子分光により示した。Cd-Mg-RE（RE=希土類）系近似結晶及び準結晶の磁性と構造乱れの関係を明らかにした。放射光コヒーレントX線回折イメージング法を整備し、Al-Cu-Ru1/1近似結晶のナノドメイン構造の3次元可視化を実施した。中性子散乱によりAl-Pd-Mn準結晶の音響フォノンの精密測定を行った。また、X線非弾性散乱によるAl-Cu-Ru準結晶の高温フォノンの予備実験を行った。実験室系粉末X線回折法用高真空対応型電気炉の導入を行い、高温実験環境を整えた。また、高次元情報を保ったまま、結晶構造や補空間の形状など各種情報を可視化できるよう、構造可視化ソフトウェアの拡張を行ない、トポロジー探索のための基礎的コードを整備した。
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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
ハイパーマテリアルの構造的知見の蓄積を飛躍的に進展させるためには高品質な準結晶試料が必須である。現在までに、Al-Cu-Ru系において良質単準結晶の育成条件を明らかにすることができている。また、Al-Pd-TM(TM=遷移金属)準結晶および近似結晶の相形成や構造に対する第三元素置換の効果を調べ、相安定性と遍歴電子濃度やｄ軌道占有率との相関性を見出した。動的構造解明のため、放射放射光コヒーレントX線回折イメージング法の整備を進め、予備実験において、メロヘドラル双晶を形成していると考えられるAl-Cu-Ru 1/1近似結晶に適用し、数100 nm程度のサイズを持つドメイン構造の3次元可視化に成功した。ハイパーマテリアルの準周期性に伴う特徴的な揺らぎを捉えるためにAl-Pd-Mn準結晶の高分解能中性子散乱実験を行い。過去の中性子散乱実験では見出されていないフォノン強度の特異な減少（擬ギャップ）を見出した。また、Al-Cu-Ru準結晶のX線非弾性散乱の予備実験では、高温で特定の方向の音響フォノンの強度が減少する振る舞いを見出した。ハイパーマテリアルの高次元情報を保ったまま、結晶構造や補空間の形状など各種情報を可視化できるよう、構造可視化ソフトウェアの拡張を行ない、これまでに6次元周期構造の結晶外形および原子配列の統一的可視化を実現した。以上のように、静的構造、動的構造、構造可視化の観点から、当初の目的通り研究が進捗していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在でもAl-Cu-Ru系を典型例とするAl基正20面体準結晶には確立された構造モデルが存在しない。本研究で得られた高品質な単準結晶試料を用いた回折実験と高次元結晶構造解析によりAl-Cu-Ru準結晶の構造を明らかにしていくとともに、構造未知な準結晶・近似結晶の構造解明を進めてゆく。公募研究班と連携し高分解能電子顕微鏡観察の手法も援用してゆく。放射光コヒーレントX線回折イメージングの適用を拡げ、ハイパーマテリアルのメゾスケールの構造知見を得る。高温での相転移近傍におけるメゾスケール構造観察にも適用する。中性子散乱ではAl-Pd-Mn試料を用いて準結晶特有のフェイゾン揺らぎについての測定を行う他、磁気量子臨界性を示すAu-Al-Ybのスピン揺らぎを測定する。X線非弾性散乱では予備実験から見出された高温でのフォノン異常の波数、温度依存性を系統的に測定し、準結晶生成の特性モードを見出す。粉末X線回折法用高真空対応型電気炉を用いて、今後も他班より提供された試料の一次評価を行い、放射光・中性子実験、物性評価に供する試料か否かの判断を見極める。既知の三次元結晶に隠された、準結晶に類似した局所構造を見出すためのトポロジー探索に必要な基礎的なプログラム開発を引き続き進める。遂行する上での問題点としては、新型コロナウイルスの状況によっては、予定する放射光X線回折散乱実験や中性子散乱実験が延期または中止となることもありうる。マシンタイムが得られればすぐに実験に取り掛かれるように実験室系での準備を万全にしつつ、状況によっては翌年度の実施も検討する。
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