2020 Fiscal Year Research-status Report
新奇高圧物性のミクロ・マクロ物性測定を可能にする15万気圧級小型高圧装置の開発
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20K20902
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
久田 旭彦 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 講師 (40579885)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 高圧 / 装置開発 / 超伝導 / 固体物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、高圧技術の発達に伴い10万気圧以上の高圧領域における新奇物性の発見が相次いでいる。本研究はそうした物性をミクロ・マクロ両面から研究する為の15万気圧級小型高圧装置「テーパー・ガイド式ブリッジマンアンビル高圧装置」の開発を目指すものである。当該年度は研究実施計画にもとづき、高圧装置の製作・性能評価と新奇高圧物性が期待される試料の作成・探索に取り組んだ。
はじめに油圧プレスの選定と設置を行った。装置の圧力は基本的に加圧面積と反比例する為、目標圧力に達する為に必要な荷重は設計段階で計算できる。そこで今回は計算をもとに50トンの油圧プレスを用意した。一方、本研究の要となる高圧装置開発では、マイクロメートルスケールの分解能を持つ3Dモデリングマシンを用意し、中心パーツであるガスケットとアンビルの設計・試作を行った。本研究ではこれらにテーパー構造を持たせることで中心を安定させ、圧力効率と成功率を高める計画だが、最適な角度を図面だけで見極めることは難しい。そこでまず、アンビルを製作したうえでガスケット形状を調整するという計画を立てた。今回はさらに、3Dモデリングマシンでアンビルの実物大模型を製作するアイデアを思い付いたことで、アンビルとガスケットの両方の形状が最適化できるようになり、性能評価にかかる時間の短縮も可能となった。こうした部品改良は高圧装置の性能を左右する重要な要素であり、今回の方法がうまくいけば、他の様々な機種の高圧装置開発をも加速させる手法として注目されると考えられる。
一方、試料の作成・探索については、先行研究を参考に鉄系低次元化合物の合成に取り組み、エネルギー分散型X線分析装置を用いた元素分析により目標の組成比の物質の生成を確認した。また、これと並行して銅酸化物低次元化合物についても高圧物性の研究を行い、隣接するサイトの電子状態がおりなす新奇超伝導状態を発見した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画では、当該年度内に高圧装置の一号機の設計から製作までを完了し、標準試料のマクロ物性測定とその結果を用いた圧力校正を開始している予定であった。しかし現在は、必要機器の調達と高圧装置の設計はほぼ終えたものの、装置部品の製作は開始したところであり、計画と比べると数か月の遅れが生じている。その大きな理由として、新型コロナウイルス感染症等の影響で、装置の設計開発を依頼する予定だった企業が廃業したり、購入を予定していた機器が生産終了したりしていて、機器の調達に時間を要したことが挙げられる。しかし現在は研究協力者から情報を得たり機材を借りたりすることで研究体制を整えており、これらの遅れは取り戻しつつある。
さらに装置開発の手順についても工夫を重ねており、たとえばアンビルの実物を製作してから行う予定であったアンビルとガスケットのテーパー角度の調整を、実物大模型を作成して事前に行うなどすることで、次年度以降の装置改良にかかる予定だった時間の短縮につなげる計画である。
一方、測定試料の作成・探索については、当初の計画通り鉄系低次元化合物の合成に取り組んでおり、エネルギー分散型X線分析装置を用いた元素分析により、目的の組成比の物質が得られている。ただし、粉末X線回折スペクトルによれば単相化には至っておらず、試料の単相化と詳細な構造解析が今後の課題として残っている。また、こうした物質合成と並行して銅酸化物低次元化合物における新奇物性探索にも取り組んでいる。これは低次元の圧力誘起超伝導体として有名な物質だが、高ドープ試料のマクロ物性測定を行ったところ、隣接サイトの電子状態がおりなす新奇な超伝導状態が見つかった。この試料も現在開発中の高圧装置を用いた高圧物性測定の候補物質と考えており、ここまでの成果の論文投稿や学会発表に向けて研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
高圧装置開発については、半年以内での一号機の完成と標準試料を用いた高圧マクロ物性測定、及び、その結果をもとにした圧力校正を目指す。こうして得られた「テーパー・ガイド方式」に関する成果は論文等で発表するとともに、最高圧力を引き上げる為の装置改良、ミクロ物性測定への適用、新奇物性を示す試料への応用も進める。そうして当初の研究期間内での「15万気圧級高圧装置」の完成を目指す。
一号機の開発だが、一つの形状を製作して加圧試験を行い、結果を確認してから次の形状を設計・発注していたのでは時間がかかってしまう。そこでまずは3次元CADを用いて荷重シミュレーションを行い、目標の荷重に耐える材種と形状を見極める。その後今度はテーパー角度の異なる部品を複数パターン同時に製作し、加圧試験も同時並行で進めることで短期間での完成を目指す。
新奇物性を示す試料については、引き続き鉄系低次元化合物の純良試料の合成に取り組むが、最近興味深い物性を発見した銅酸化物低次元化合物も候補の一つと考えている。鉄系試料については合成温度や加熱速度の調整を続け、一方、銅酸化物試料については得られている成果を論文や学会で発表していく予定である。
研究を遂行する上での大きな課題は、新型コロナウイルス感染症の影響である。これまでも機材の調達や国内外の出張、学会発表等の大きな障害となってきたが、この状況はしばらく続くと考えられる。そこで現在は、業者や研究協力者との打ち合わせはオンラインに切り替えていっており、今後もこうしたツールを利用していく。また、国内学会も制限されている状況だが、こちらもオンライン参加に切り替えるなどして発表の場を確保したい。一方、国際会議については見通しが立っていない。これは海外渡航が制限されているだけでなく、会議の開催そのものが延期されているためである。そのため、当面の国外発表は論文投稿で行う予定である。
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| Causes of Carryover |
3月納品となり4月支払いとなったため次年度使用額が生じた。
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Research Products
(1 results)
