不整合相転移の起源と位相揺らぎに関する新しい視点

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11640311
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 重成 武 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (90017335)
• 研究分担者: DMITRIEV S. V. 電気通信大学, 電気通信学部, 助教授 (00334574) ; 阿部 浩二 電気通信大学, 電気通信学部, 助教授 (20183139)
• キーワード: 相転移 / 不整合相 / 位相揺らぎ / 分子動力学 / ラマン散乱 / SiO2 / Debye-Waller因子 / 水晶

研究概要

本研究の目的は,不整合相固有の素励起である位相揺らぎ(Phason)の影響が、これまで考えられていたより遥かに重要な効果をもたらすことを実証することにある.このモデルでは不整合相の出現に伴う変調波の位相揺らぎが、回折実験で観測されるべき衛星反射の強度(Debye-Waller因子)を極めて小さくするため,或る温度Tiでの衛星反射の出現は必ずしも不整合相への転移を意味せず,実際の構造変化はTiより高い温度で起こり得る.特に相転移温度が高温の場合に起こりうる.その典型例が,各種デバイスの絶縁体基板としてまた圧電振動子として応用面でも極めて重要な物質であるSiO2(水晶)である.しかしこの問題自体は(変位型)不整合相転移一般にあてはまる基本的問題である. 本研究の概要はは次の3点である.
[1]分子動力学(MD)計算によるSiO2(水晶)での3倍周期構造の出現の証明:上記のモデルが正しければ不整合相は(観測されている30倍に近い長周期でなく)3倍周期に近い構造が,β相と思われている温度で出現するはずである.このことを第1原理計算より得られたTsuneyukiポテンシャルを用いたMD計算を用いて明らかにした.
[2]低波数ラマン散乱強度の変化の測定:高温相であるβ相ですでに不整合相が発生するならば,ソフト化するフォノン分枝(C_<44>TA分枝)の分散関係に変化が現れるはずであり,2次ラマン散乱強度の温度異存に変化が現れることが期待される.実際にTiより約25K高い温度からその積分強度およびlineshapeに異常が現れる事が見いだされた.
[3]弾性ヒンジ(蝶番)モデルによる不整合相のダイナミクスの研究,誘電体の相転移の特徴は、原子団が剛体に近い形で回転的変化をすることにあることに注目し,この特徴を生かしたモデルをたて計算機simulationによって不整合相での構造の変化のダイナミクスを一般的に解析した.また回転的自由度が負のポワソン比を与える事を示した
これらの結果により,単純な並進構造を持つ通常の結晶に比べ,周期的変調を受けた構造を持つ相での物性には変調の位相揺らぎが大きな影響をもたらしていることが明らかになった.

研究成果

• [文献書誌] 重成 武: "SiO2(水晶)の謎を解く:不整合相の起源"固体物理. 35. 659-670 (2000)
• [文献書誌] S.V.Dmitriev, T.Shigenari, K.Abe: "Poisson Ratio Beyond the Limits of the Elasticity Theory"J.Phys.Soc.Jpn.. 70. 1431-1432 (2001)
• [文献書誌] S.V.Dmitriv, H.Jimbo, K.Abe, T.Shigenari: "Periodic metastable structurein the discrete φ4 model"Phys.Rev. E. 64. 0362021-0362029 (2001)
• [文献書誌] S.V.Dmitriev, T.Miyauchi, K.Abe T.Shigenari: "Kink-breather solution in the weakly discrete Frenkel-Kontrova model"Phys. Rev. E. 61. 5880-5885 (2000)
• [文献書誌] S.V.Dmitriev. M.Yajima, Y.Makita, D.Semagin, K.Abe, T.Shigenari: "Simulation of Modulated Structures in Quartz"J. Phys.Soc.Jpn.. 70. 428-436 (2001)
• [文献書誌] S.V.Dmitriev, K.Abe, T.Shigenari: "Domain wall solutions for EHM model of Crystals structures with period multiple of four"Physica D. 240. 147-154 (2000)
• [文献書誌] T.Shigenari, S.V.Dmitriev, K.Abe, Y.Makita, M.Yajima T.A.Aslanyan: "A New Interpretation of Incommensurate Phase of Quartz"Ferroelectrics. 147. 122-134 (2000)
• [文献書誌] A.E.Moroshnichenko, S.V.Dmitriev, A.A.Vasiiev T.Shigenari: "Inelastic three-soliton collisions in a weakly discrete sine-Gordon system"Nonlinearity. 13. 837-848 (2000)
• [文献書誌] S.V.Dmitriev, 阿部 浩二, 重成 武: "弾性ヒンジ分子モデルによる不整合相転移のシミュレーション (最近の研究から)"日本物理学会誌. 55. 113-117 (2000)
• [文献書誌] T.A.Aslanyan, T.Shigenari, K.Abe: "Reply to the comment on 'Inhomogenieties and birefringence in quartz'"J.Phys. : Condens.Matter. 11. 284-287 (1999)
• [文献書誌] T.A.Aslanyan, T.Shigenari K.Abe: "Comments on the characteristics of incommensurate modulation in quartz : discussion about a neutron scattering experiment"Acta Cryst.. A55. 65-69 (1999)
• [文献書誌] Y.Tsujimi, K.Sato, M.Kobayashi, S.Yoshioka, M.Kasahara, T.Yagi, T.Shigenari, K.Abe: "Nonlinear phonon-phonon interaction dynamics in alpha-quartz studied by time-resolved spectroscopy"J.Korean Phys.Soc.. 35. S139-S1395 (1999)
• [文献書誌] T.A.Aslanyan, T.Shigenari, K.Abe: "Reply to the comment on 'Inhomogeneiies and birefringence in quartz'"J.Phys. : Condens.Matter. 11. 284-287 (1999)
• [文献書誌] S.V.Dmitriev, T.Shigenari, K.Abe, A.A.Vasiliev, A.E.Miroshnichenko: "Phonon emission from a discrete sine-Gordon breather"Computational Materials Science. 18. 303-308 (2000)