オフセンター内包イオン間の長距離相互作用が誘起するカゴ状クラスレートの特異な物性

• Project Area: New Materials Science Using Regulated Nano Spaces －Strategy in Ubiquitous Elements
• Project/Area Number: 22013018
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 中山 恒義 北海道大学, 名誉教授 (80002236)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 兼下 英司 仙台高等専門学校, 准教授 (60548212)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000); Fiscal Year 2011: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2010: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: ガラス / 内包系物質 / ボソン・ピーク

Research Abstract

本研究はオフセンター内包イオン間の長距離相互作用が誘起するカゴ状クラスレートのTHz振動数領域での特異な物性について研究するものである.内包ゲストイオンの対称性が破れた系は、ガラス的な熱伝導を示し、熱電変換指数ZTが1を越えることが実験的に示され特に最近注目されるようになった.また極低温での熱電物質クラスレートに関するTHZ振動数領域での実験結果は結晶のものとは全く違う比熱や熱伝導性を示す.これらが構造ガラスと同じ振る舞いを示すことが重要である.本年度は10K領域で観測されるプラトー熱伝導についてオフセンターにゲストイオンを含む一般的系に対して成立する理論式を立て興味ある結果を得た.それらを要約すると、1.プラトーは対称性が破れたゲストイオンの回転モードと籠ネットワークがつくる音響フォノンとの結合状態を反映したものである.2.これによりフォノン分散関係が平坦化することで熱伝導が強く制限されることが明らかになった.3.フォノン分散関係を計算することでこれを明らかにし、音響フォノンンと回転モードとの結合定数がそのランダム性を反映しブロードになることが分かった.4.これがガラスで普遍的に観測されるボソンピークの起源であることが分かった.
これらの結果から、効率の良い熱電変換物質の設計指針を与えることができることになった.ガラスで普遍的に観測されるボソン・ピークの起源に関する研究は純粋にアカデミックなものであったが、高効率の熱電変換物質の設計に役立つことが分かったのは大きな成果である.

Research Products

• [Journal Article] Significance of Off-center Rattling for Emerging Low-lying THz Modes in Type-I Clathrates (2011)
  • Author(s): T.Nakayama、E.Kaneshita
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 80 Issue: 10 Pages: 104604-7
  • DOI: 10.1143/jpsj.80.104604
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of Glass-like THz Frequency libration Modes in Type-I Clathrates : Theory (2011)
  • Author(s): T.Nakayama、E.Kaneshita
  • Journal Title: Journal of Physics and Chemistry of Solids Volume: 10 Pages: 47-52
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin and orbital characters of excitations in iron arsenide superconductors revealed by simulated resonant inelastic x-ray scattering (2011)
  • Author(s): E.Kaneshita
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 84 Issue: 2 Pages: 315-318
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.020511
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Origin of In-Plane Anisotropy in Optical Conductivity for Antiferromagnetic Metallic Phase of Iron Pnictides (2011)
  • Author(s): K.Sugimoto, E.Kaneshita, T.Tohyama
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 80 Issue: 3 Pages: 033701-5
  • DOI: 10.1143/jpsj.80.033706
  • NAID: 40018753702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antiferomagnetic Fractons in Dilute Heisenberg System RbMn0.4Mg0.6F3 and Rb2Mn0.598Mg0.402F4 (2011)
  • Author(s): S.Itoh, T.Nakayama, Mark.A.Adams
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 80 Issue: 10 Pages: 1047041-7
  • DOI: 10.1143/jpsj.80.104704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parameter dependence of optical conductivity in antiferromagnetic phase of iron pnictides (2011)
  • Author(s): K.Sugimoto, E.Kaneshita, T.Tohyama
  • Journal Title: Physica C : Superconductivity Volume: 471 Issue: 21-22 Pages: 666-669
  • DOI: 10.1016/j.physc.2011.05.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge and spin dynamics in antiferromagnetic metallic phase of iron-based superconductors (2011)
  • Author(s): T.Tohyama, E.Kaneshita, T.Morinari
  • Journal Title: Journal of Physics and Chemistry of Solids Volume: 72 Issue: 5 Pages: 315-318
  • DOI: 10.1016/j.jpcs.2010.10.056
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] パーコレーション磁性体における反強磁性フラクトン (2011)
  • Author(s): 伊藤晋一、中山恒義
  • Journal Title: 日本中性子科学会誌「波紋」 Volume: 21 Pages: 234-238
  • NAID: 130007516741
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Glass-like behaviors of clathrate compounds as thermoelectric materials and their physical origin (2010)
  • Author(s): T.Nakayama, E.Kaneshita
  • Journal Title: 豊田理化学研究所研究報告書 Volume: 63 Pages: 63-69
• [Journal Article] Spin and charge dynamics ruled by antiferromagnetic order in ironpnictide superconductors (2010)
  • Author(s): E.Kaneshita, T.Tohyama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 82
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topological and Transport Properties of Dirac Fermions in Antiferromagnetic Metallic Phase of Iron-Based Superconductor (2010)
  • Author(s): T.Morinari, E.Kaneshita, T.Tohyama
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fermi surface topology effect on interlayer magnetoresistance with in-plane magnetic field in layered multiband system : Application to FeAs-based superconductors (2010)
  • Author(s): T.Morinari, E.Kaneshita, T.Tohyama
  • Journal Title: Physica C Volume: 470
  • NAID: 120001887645
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 11系の磁気秩序状態におけるスピン・電荷励起 (2012)
  • Author(s): 兼下英司, 杉本高大, 筒井健二, 遠山貴己
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学,(西宮市)
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] Spin and Orbital Characters of Excitations in Iron Arsenides Revealed by Simulated Fe L-Edge RIXS (2011)
  • Author(s): E.Kaneshita, K.Tsutsui, T.Tohyama
  • Organizer: International Conference of new Science Created by Materials with Nano Spaces
  • Place of Presentation: 東北大学WPI、(仙台市)
  • Year and Date: 2011-11-24
• [Presentation] Plateau thermal conductivities in thermoelectric clathrates : Interplay with low-lying optical modes (2011)
  • Author(s): T.Nakayama, E.Kaneshita
  • Organizer: New Science created by materials with Nano Spaces : From Fundamentals to Applications
  • Place of Presentation: 東北大学WPI,(仙台市)
  • Year and Date: 2011-11-01
• [Presentation] Emergence of Glass-like THz Frequency libration Modes in Type-I Clathrates : Theory (2011)
  • Author(s): T.Nakayama, E.Kaneshita
  • Organizer: 16th International Conference on Intercalation Compounds
  • Place of Presentation: ホテルウツセキ、セック,(チェコ共和国)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-20
• [Presentation] Two-dimensional Antiferromagnetic Fractions in Rb2Mn0.598Mg0.402F4 (2011)
  • Author(s): S.Itoh, T.Nakayama, Mark A.Adams
  • Organizer: 26th International Conference on low temperature physics (LT26)
  • Place of Presentation: CAS, Beijing, (China)
  • Year and Date: 2011-05-20
• [Presentation] Spin excitations in antiferromagnetic metallic phase of iron pnictides analyzed with a five-band itinerant model (2011)
  • Author(s): E.Kaneshita, T.Tohyama
  • Organizer: American Physical Society
  • Place of Presentation: Convention Center、Dallas, USA
  • Year and Date: 2011-03-28
• [Presentation] オフセンター内包イオン間の長距離相互作用が誘起するカゴ状クラスレートの特異な物性 (2010)
  • Author(s): 中山恒義, 兼下英司
  • Organizer: 特定領域研究発表会
  • Place of Presentation: 名古屋大学、名古屋
  • Year and Date: 2010-05-28
• [Presentation] 内包化合物クラスレートにおけるテラヘルツ・モードの発現とヒッグス機構 (2010)
  • Author(s): 中山恒義
  • Organizer: 豊田理化学研究所研究発表会
  • Place of Presentation: 豊田理化学研究所,名古屋(招待講演)
  • Year and Date: 2010-05-11
• [Book] Higher Mathematics for Physics and Engineering (2010)
  • Author(s): H.Shima, T.Nakayama
  • Total Pages: 750
  • Publisher: Springer-Verlag, Berlin