固体水素高圧相：III相の高圧低温Ｘ線回折実験による構造決定

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05550
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 赤浜 裕一 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 特任教授 (90202522)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 固体水素 / 高圧構造 / X線回折実験 / 金属化 / 超臨界相 / 放射光 / ラマン分光 / ダイヤモンドアンビル

研究実績の概要

水素は、最も単純な元素で、科学研究における重要な対象物質であることから、その物性は古くから研究されている。固体水素には、最近発見された半導体相 （VI相）を加え、現在、四つの相の存在が明らかにされている。低温下160GPa程で出現するIII相では水素分子の回転は完全に凍結され、分子の配向秩序が定ま ると考えられているがその結晶構造は不明である。多くの理論研究は、単原子水素金属相への転移に先立って、III相のバンドオーバーラップ金属化を提案しているが、提案された結晶構造と金属化圧力は収束していない。それゆえIII相の構造解明は、水素の金属化過程を解明する上での重要課題である。
本研究の目的は、超高圧下でのX線回折実験とラマン分光実験を行い、固体水素III相の結晶構造を解明することである。また、水素エネルギーの応用の見地か ら高密度水素の密度や分子振動の情報を系統的に理解する。さらに、高密度水素の研究で培った超高圧発生技術を物質科学研究に活用することである。
本研究では、世界最大の放射光施設SPring-8において、マイクロフォーカス単色X線ビームを用いることで固体水素III相からの比較的統計精度の高い回折パターンを200GPaまで観測することに世界で初めて成功した。III相の回折線は2本で、六方晶の対称性を持つ構造(hcp)を示唆した。200GPaでも水素分子は依然としてhcp構造の格子点近傍にあることを明らかにした。これまで、III相の構造は理論研究から提案された単斜晶（C2/c）が有力視されてきたが、この提案を覆す結果となり、理論計算の再検討を促した。一方、水素超臨界流体相のX線回折実験とラマン分光実験を行い、密度と分子振動の相関を明らかにするとともに、相似物質の固体酸素イプシロン高圧相のO8クラスターの圧力変形と分子振動の相関を解明した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

固体水素高圧相の結晶構造データを世界最高圧力の200GPaまで収集することに成功し、成果を論文や国際会議で発表してきた。特に、先行報告されていた理論研究の提案の間違いを指摘し、再検討を促すことができた。論文発表された再計算の結果は我々の実験結果を支持するものであり、本研究成果は、2019年にNature誌に発表された論文（C. Ji, H. K. Mao et al., Nature, volume 573, pages 558-562, 2019）で引用され国際的にも評価されている。

今後の研究の推進方策

固体水素高圧相の体積と圧力のデータを基に状態方程式の解析を行う。また、超臨界流体相の密度と分子振動の実験結果を解析し、論文発表する。加えて、高密度水素の研究で培った超高圧発生技術を物質科学研究に活用する。

次年度使用額が生じた理由

コロナウイルス流行のため学会発表の出張が中止となり、投稿した論文の審査が遅れた。出張旅費、出版料等が次年度に繰り越された。研究成果をより広く発信するため、学会発表と論文発表を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Pressure-induced evolution of band structure in black phosphorus studied by P31 NMR (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujii T.、Nakai Y.、Akahama Y.、Ueda K.、Mito T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 161408(R) 1～5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.161408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relation between O8 cluster shape and vibrational spectra in the ε-phase of solid oxygen (2019)
  • 著者名/発表者名: Akahama Yuichi、Fujihisa Hiroshi、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 ページ: 095502～095502
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab355a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure change of monoclinic ZrO2 baddeleyite involving softenings of bulk modulus and atom vibrations (2019)
  • 著者名/発表者名: Fukui Hiroshi、Fujimoto Manato、Akahama Yuichi、Sano-Furukawa Asami、Hattori Takanori
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section B Structural Science, Crystal Engineering and Materials 巻: 75 ページ: 742～749
  • DOI: https://doi.org/10.1107/S2052520619007923
  • 査読あり
• [学会発表] 金属チタンの圧力誘起によるbcc相への構造転移 (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤浜裕一，河口沙織, 平尾直久, 大石泰生
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会（名古屋大学東山キャンパス2020年3月16日～19日）
• [学会発表] Volume compression of period 4 elements: Zn, Ge, As, and Se up to multimegabar pressures (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Akahama, K. Kamiue, N. Okawa, S. Kawaguchi, N. Hirao, and Y. Ohishi
  • 学会等名: The 57th European High Pressure Research Group Meeting on High Pressure Science and Technology: (EHPRG2019) September 1-6, 2019, Hotel Duo, Prague, Czech Republic
  • 国際学会
• [学会発表] 固体酸素ε相のO8クラスターの変形と分子振動の相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 赤浜 裕一，藤久 裕司，平尾 直久，大石 泰生
  • 学会等名: 日本物理学会2019秋季大会（岐阜大学 2019年9月10-13日）
• [学会発表] 水素超臨界流体相の高圧X線回折研究II (2019)
  • 著者名/発表者名: 赤浜 裕一・中野 智志・河口 沙織・平尾 直久・大石 泰生
  • 学会等名: 日本高圧力学会第60回高圧討論会 北海道札幌市かでる2・7 北海道立道民活動センター2019.10.23-25
• [学会発表] 単斜晶ハフニアの高圧下の弾性ソフト化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 赤浜 裕一・福井 宏之・河口 沙織・平尾 直久・大石 泰生
  • 学会等名: 日本高圧力学会第60回高圧討論会 北海道札幌市かでる2・7 北海道立道民活動センター2019.10.23-25