大型放射光施設 SPring-8

公開日

2014年04月23日

2014年4月23日
国立大学法人　大阪大学
公益財団法人　高輝度光科学研究センター

研究成果のポイント
•80万気圧を超える高圧下で半導体化した金属元素リチウム(Li)が、120 万気圧を超える圧力下で再び金属へ戻ること、また、それらの変化には結晶構造変化が伴うことを世界で初めて実験的に観測
•物質はその密度に応じて半導体にも金属にもなりうることを実験的に立証
•金属-半導体-金属転移の発見により、金属の物理的性質の理解をさらに深めることが期待される

背景
Liは最も基本的（原子番号３）な金属元素であり、自由電子模型^※2がよく当てはまるため、金属一般の物理的性質を理解する上での‘モデル物質’として重要な役割を果たしています。Liのもつ電子状態や結晶構造を幅広い密度と温度領域で明らかにすることは、金属についての理解を更に深める上で重要な課題です。これまでに、圧力下では電気抵抗率が急激に上昇することや、元素では２番目に高い温度で超伝導転移（摂氏-253度）を起こす他、80万気圧に於いては金属から半導体に転移するなど、自由電子模型から外れた多彩な物性を示すことが明らかにされてきました。究極に圧縮された物質は金属になると予想されているのと同様に、Liも更に高い圧力では半導体から金属に戻ると理論計算から予測されていましたが、実験的に立証はなされていませんでした。

研究成果と今後への期待
　本研究により、Liが圧力下で金属と半導体という性質の間を行き来する現象が実験的に明らかになりました。このことは物質がその密度に応じて、ある密度では金属に、別の密度では半導体へと変化する振る舞いが、金属一般に当てはまる現象である可能性を示しています。基本的な金属元素であるLiが圧力下で示す多彩な物性を手がかりに、金属一般についての我々の理解を更に深めることが期待されます。

《参考図》

《用語解説》
※１大型放射光施設SPring-8
　兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す独立行政法人理化学研究所の施設で、その管理運営は高輝度光科学研究センターが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来しています。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のことです。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。

※２自由電子模型
　金属を構成する原子の価電子が伝導電子（自由電子）として、金属の中を自由に動き回ると仮定するモデル。この自由電子模型により一般の多くの金属の物理的性質を説明することが出来る。

※３ダイヤモンドアンビルセル
　宝石用ダイヤモンドを用いた小型の高圧装置。ダイヤモンドは圧力を発生させる尖頭状の部品（アンビル）として用いられます。ガスケットと呼ばれる金属の板に小さな穴をあけ、その穴に試料と圧力媒体を入れて2つのダイヤモンドアンビルで挟み込むことで高圧を発生します。ダイヤモンドの先端のサイズを小さくすれば、100万気圧を超える圧力発生が可能ですが、その分、サイズの小さい試料が必要となるため、様々な測定が困難となってきます。このような微小試料に対して、SPring-8のような高輝度放射光の利用は必要不可欠だと考えられます。本研究は高圧実験特有の技術的困難度が高く、これらを克服するためにSPring-8の長期利用研究課題制度を活用しました。