放射光を用いた超臨界金属流体の静的・動的構造の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11102004
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 田村 剛三郎 京都大学, 工学研究科, 教授 (30155262)
• 研究分担者: 星野 公三 広島大学, 総合科学部, 教授 (30134951) ; 乾 雅祝 広島大学, 総合科学部, 助教授 (40213136) ; 沼倉 宏 京都大学, 工学研究科, 助教授 (40189353)
• キーワード: 超臨界金属流体 / 放射光 / X線回折 / X線小角散乱 / X線非弾性散乱 / 密度のゆらぎ / 金属-非金属転移

研究概要

本研究では、水銀、セレンおよびアルカリ金属等の流体金属を対象としてその静的・動的構造を解明するために、第3世代大型放射光施設SPring-8を利用してX線回折、X線小角散乱およびX線非弾性散乱測定を行った。
本年度の研究実績は以下の通りである。
X線回折測定:最終ターゲットである流体ルビジウムに関して、新たに開発した単結晶モリブデン容器を用いることによって、液体から超臨界領域を経て気体に至る広い密度領域でX線回折測定に初めて成功した。1850℃、220barに至る高温高圧下で、構造因子と二体分布関数を温度と圧力の関数として得ることができた。その結果、二体分布関数の第一ピークが、体積膨張にもかかわらず1100℃以上で急に距離の短い方へシフトするという予想外の事実が明らかになった。この実験結果を下條らの第一原理分子動力学シミュレーションの結果と比較することにより、膨張してゆく流体ルビジウム中に、非常に早い段階で、すなわち1100℃という臨界温度(1744℃)から遠く離れた液体金属領域において、二原子分子Rb_2が出現するという興味深い事実が明らかになった。
X線小角散乱測定:流体水銀についての測定を継続し、密度のゆらぎの大きさを表すS(0)および相関長ξを密度の関数として精度よく求めることができた。その結果、臨界密度ゆらぎの他に、金属-非金属転移に付随する密度のゆらぎの存在することが明らかになった。流体セレンについては、臨界散乱の観測に成功すると共に、半導体-金属転移に伴う弱い密度ゆらぎがあることを初めて見出した。さらに、流体ルビジウムについて、超臨界領域までの小角散乱測定に初めて成功した。
X線非弾性散乱測定:流体水銀について、広い温度圧力領域における非弾性散乱スペクトルを得ることができた。これらを解析することによって、金属-非金属転移領域において通常の音速に比べ3倍もの異常に速い音速が存在することを見出した。さらに、この速い音速がゆらぎに関係することを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] M.Inui: "Local structure of fluid mercury using synchrotron radiation : From liquid to dense vapor"Phys.Rev.B. 68. 094108-1-094108-9 (2003)
• [文献書誌] M.Inui: "Static and dynamic structures of expanded fluid mercury"Z.Phys.Chem.. 217. 1045-1063 (2003)
• [文献書誌] K.tamura: "Structural studies of expanded fluid metals using synchrotron radiation"Trans MRS-J. 29. 83-88 (2004)
• [文献書誌] K.Matsuda: "Molybdenum cell for x-ray diffraction measurements of fluid alkali metals at high temperatures and high pressures"Rev.Sci.Instrum.. 75. 709-712 (2004)
• [文献書誌] 田村剛三郎: "放射光を用いた超臨界金属流体の構造研究"まてりあ. 42. 372-376 (2003)
• [文献書誌] F.Shimojo: "Ab initio molecular-dynamics simulations of anomalous structural change in liquid tellurium under pressure"J.Phys.Soc.Jpn. 72. 2822-2828 (2003)
• [文献書誌] F.Shimojo: "Bonding properties of liquid tellurium under pressure : A maximally localized Wannier function approach with ultrasoft pseudopotentials"J.Phys.Soc.Jpn. 72. 2417-2420 (2003)
• [文献書誌] K.Hoshino: "Dynamical structure of liquid metals : Recent theoretical progress"Z.Phys.Chem.. 217. 817-829 (2003)
• [文献書誌] T.Itami: "Structure of liquid Sn over a wide temperature range from neutron scattering experiments and first-principles molecular dynamics simulation : A comparison to liquid Pb"Phys.Rev.B. 67. 064201 (2003)
• [文献書誌] A.Harada: "Dynamic properties of disordered phases of carbon by empirical potential : Stringent test toward hybrid approach with density-functional theory"J.Phys.Soc.Jpn. 72. 822-828 (2003)
• [文献書誌] R.Goto: "Temperature dependence of the microscopic structure of liquid In2Te3 : ab intio molecular-dynamics simulation"J.Phys.Soc.Jpn. 72. 320-324 (2003)
• [文献書誌] Y.Sakaguchi: "Photo-induced metastability in amorphous semiconductors(Ed.by A.Kolobov)"WILY-VCH Verlag Berlin Gmbh. 412 (2003)