二次元流体水銀の静的及び動的臨界揺らぎの直接観測

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14340106
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 八尾 誠 京都大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (70182293)
• 研究分担者: 大政 義典 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (30301229)
• キーワード: 水銀-サファイア界面 / 濡れ / 臨界揺らぎ / 前駆濡れ転移 / 熱輻射強度 / 相関長 / 相関関数 / 臨界点

研究概要

最近、液体-気体臨界点近傍では水銀がサファイアに濡れることが本研究代表者によって見出され、しかも、この濡れ現象はPre-wetting transition(前駆濡れ転移)と呼ばれる一次相転移として起こることが明らかになった。前駆濡れ転移固有の臨界点はバルク水銀の臨界点より低温・低圧の1468℃・159MPaにある。
本研究では、水銀-サファイア系の前駆濡れ臨界点近傍における、界面のゆらぎに着目した。界面のゆらぎを直接に検出する手段として、試料からの熱輻射強度の測定を用いた。これは、物体からの熱輻射強度に散漫散乱項が含まれていることに着目し、本研究グループによって考案された方法である。さらに、コリメーター系を工夫して試料セル各部からの熱輻射を空間的に分解することにより、より高精度のデータを得た。この測定により、前駆濡れ転移の超臨界相において、熱輻射強度に臨界揺らぎに対応するシャープな谷が現れることが見出される。
熱輻射強度に含まれる散漫散乱の断面積は、界面揺らぎの2点相関関数で表されるが、本研究では散乱の波長依存性を測定することにより、界面揺らぎの面内方向への波数依存性を求めた。これにOrnstein-Zernike型の波数依存性を仮定することにより、ゆらぎの相関長や界面の粗さ等を求めた。その結果、臨界ゆらぎが最も大きくなる領域で、面内方向の相関長が数百ナノメートルのオーダーに達することがわかった。これは、濡れ層の厚み(数十ナノメートル)よりもはるかに大きい値である。
さらに、水銀濡れ層にレーザーを照射したときに散乱される光強度の時間変動を調べる動的光散乱法の装置を開発した。次年度はこの動的光散乱の手法を用いて、濡れ層のダイナミクス、特に濡れ層の密度揺らぎや表面張力波、さらには蒸発・凝縮に伴うモード、さらには前駆濡れ点近傍でのスローイングダウンなどの異常を観測することを目指す。
以上のように、本研究では濡れ層の揺らぎを実験的に高精度で調べる方法を開拓した。この手法は、我々が取り扱った水銀とサファイアの系以外にも直ちに適用することができる。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ohmasa, M.Yao: "Two-dimensional supercritical fluid mercury formed sapphire substrate"J.Non-Cryst.Solids. 312-314. 472-480 (2002)
• [文献書誌] Y.Kajihara, Y.Ohmasa, M.Yao: "Critical fluctuation in mercury wetting film on sapphire"J.Non-Cryst.Solids. 312-314. 489-493 (2002)
• [文献書誌] H.Kohno, M.Yao: "Slow dynamics due to the metal-nonmetal transition in liquid mercury"J.Non-Cryst.Solids. 312-314. 265-268 (2002)
• [文献書誌] H.Kohno, M.Yao: "Dynamic Critical Phenomena of Mercury"J.Phys.Condens Matter. 14. L171-L176 (2002)
• [文献書誌] A.Chiba, Y.Ohmasa, M.Yao: "Quasielastic Neutron Scattering of Liquid Te_<50> Se_<50> in the Semiconductor-to-Metal Transition Range"J.Phys.Soc.Jpn.. 71. 504-508 (2002)
• [文献書誌] A.Chiba, Y.Ohmasa, M.Yao: "Neutron Scattering studies of liquid tellurium-selenium mixtures"J.Non-Cryst.Solids. 312-314. 384-387 (2002)
• [文献書誌] 八尾 誠: "新しいクラスターの科学 第8章 VI族元素クラスター"講談社. 23 (2002)