東大と東北大など、固体中の電子がガラス化・結晶化するメカニズムを解明

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物質の三態とガラス状態の模式図(左) 電荷液体/結晶/ガラス状態の模式図(右)

東北大学と東京大学などは2017年9月29日、固体結晶中の電子がガラス化・結晶化するメカニズムを解明したと発表した。

ガラス状態は気体・液体・固体のどれとも異なる状態で、流動性がなく空間秩序を持たない。また、ガラス化現象は極めて普遍的な現象で、窓ガラスなどの構造ガラス以外にも、金属ガラスやスピンガラスなどが挙げられる。ガラス状態は液体を急冷することで得られるが、物理的メカニズムは理解されておらず、現在の物性物理学に残された最大の未解決問題の一つだ。

研究グループは、そのガラスの一つである電荷ガラスに注目し、X線構造解析と赤外分光測定を行い、電子のガラス状態を詳細に調べた。結果、そのガラス状態が電子相関の幾何学的フラストレーション効果に起因していることを明らかにした。メカニズムとしては、さまざまな電荷配列が混ざり合った状態が無数の準安定状態を形成。急冷により準安定状態に落ち込んだことで、最も安定な結晶状態に転移できず、電荷ガラス状態になると説明した。

また、研究グループは、電気抵抗率測定を行うことで電子の結晶化過程を詳細に調査。温度-時間-変態図を作成した。その図には、一般的なガラス形成物質で観測されるドーム状の構造が現れており、電子のガラス状態が一般的なガラス形成物質と同じメカニズムで形成されていることを明らかにした。

温度-時間-変態図。

この成果から、今後ガラス化現象一般に対する統一的な理解がより深まることが期待される。

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