超高圧力下の新物質科学：メガバールケミストリーの開拓

超高压下的新材料科学：兆巴化学的发展

• 批准号: 26000006
• 负责人: 清水 克哉
• 金额: $ 295.78万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014 至 2018
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-26000006/
• 关键词: 高圧力; 超伝導材料・素子; 金属物理; 磁性; 軽元素; 高温超伝導; 金属水素; 第一原理計算

(研究の目的)メガバールを超える圧力領域の物質科学を新展開させることを目的とすることで、これまで為し得なかった物質創造に挑戦する。特にシンプルなシステムや機能性物質は超高圧力による顕著な効果が期待できるので、以下の3項目 : 項目A「水素をはじめとしたシンプルなシステムの超高圧物性」、項目B「超高圧合成による機能性物質のフロンティア」、項目C「革新的な高圧力実験技術および理論計算手法の開拓」を重点的に焦点をあてて、必要な技術開発をあわせて行った。(最終年度の成果)高温超伝導が理論予測されている水素化物(イットリウム、ランタン、ストロンチウムの水素化物)を純水素、またはアンモニアボランなどの水素発生源とともに加圧し、レーザーにより加熱を行い合成を試みた。電気抵抗の変化やX線回折像を同時に測定し、その後に冷却し電気抵抗の温度変化を測定した。ランタン水素化物の合成に成功し、70ケルビンの超伝導の観測した。(期間全体の成果)以下に項目別に成果を抜粋して列挙する。<項目A>「水素化物の超伝導」200ケルビンの高温超伝導を示す硫化水素の結晶構造を実験的に決定し、単体水素と硫黄から直接的に高温超伝導体を合成することに成功した。また白金の水素化物の合成と超伝導化に成功した。<項目B>「熱電材料の超伝導」熱電材料であるマンガンーシリコンの2元系合金において、高圧下で超伝導を示唆する電気抵抗の減少を観測した。<項目C>「4メガバールを超える超高圧技術開発」トロイダル型または2段式のダイヤモンドアンビルを設計・作成して圧力発生限界値を探索し、さらに物性測定を可能とする電極プローブの挿入にも成功し、低温かつメガバール下の超伝導測定を行った。「第一原理電子状態計算を用コンピュータ・シミュレーション開発」結晶構造探索手法を新たに考案し、ポテンシャルエネルギー面トレッキングと名付けた。これを第一原理電子状態計算手法と組み合わせて、これまでよりも精度の高い電子状態計算が行えるようになった。以上の通り、メガバールの高圧力による超伝導体の発見、機能性材料の創出や合成法の確立が、これまでの元素置換やドーピングなどといった操作の限界を打破できることを示した。高圧力下の超伝導をはじめ先駆的な成果は今後の物質機能開発の新たな基盤をなすと期待できる。(今後の展開計画)上記の通り、設定した研究3項目において計画に近い成果を得たが、究極の挑戦項目であった固体水素の金属化には毛結果的には技術が未確立であり到達しなかった。しかし水素化物と単体水素のための超高圧の発生および安定な水素封止と水素供給源の利用は、本研究により大幅に進展したといえる。現在、極めて注目されている水素化物の高温超伝導体の合成において、その結晶構造の実験的同定および高温超伝導候補物質の提案は、理論的手法による探索の精度向上とあわせて緊急に実施すべき課題である。

Purpose の (study) メ ガ バ ー ル を super え る の material science を new pressure field on さ せ る こ と を purpose と す る こ と で, こ れ ま で to し な か っ た physical creation に pick 戦 す る. Special に シ ン プ ル な シ ス テ ム や functional material は ultra-high pressure に よ る 顕 the な unseen fruit が expect で き る の で, の below 3 items: Project A "water element を は じ め と し た シ ン プ ル な シ ス テ ム の high" 圧 property, project B "ultra-high 圧 synthetic に よ る functional material の フ ロ ン テ ィ ア", project C "innovative な high pressure be 験 technology お よ び theoretical calculation methods の pioneering" を key focus of に を あ て て, necessary な technology 発 を あ わ せ て line っ た. Annual の results (final) high temperature super 伝 が theoretical guide to the measurement さ れ て い る water element compound (イ ッ ト リ ウ ム, ラ ン タ ン, ス ト ロ ン チ ウ ム の water element compound) を pure water element, ま た は ア ン モ ニ ア ボ ラ ン な ど の water element 発 students と と も に plus 圧 し, レ ー ザ ー に よ り line heating を い synthetic を try み た. The electrical resistance <s:1> change や X-ray reflection image を was simultaneously に measured by <s:1> and そ followed by に cooling. The <s:1> electrical resistance <s:1> temperature change を was also measured by を た. The ラ タ タ タ <s:1> hydroquinide <s:1> was successfully synthesized に, and 70ケ ビ ビ 観 was measured by super伝 guide 観 to show た. (All achievements during the period) The following に projects are respectively に achievements を 粋 て て column 挙する. < A > project "water element compound の super 伝 guide" 200 ケ ル ビ ン の high temperature super 伝 guide を す in curing water element の crystal structure を be 験 に decided し, 単 と water element sulfur か ら direct に high temperature super 伝 conductor を synthesis す る こ と に successful し た. Synthesis of また platinum <s:1> hydroquinide <e:1> と super伝 conduction に successful <s:1> た. < B > project "thermoelectric materials の super 伝 guide" thermoelectric materials で あ る マ ン ガ ン ー シ リ コ ン の 2 ternary alloy に お い て, high 圧 で 伝 guide を in stopping す る electric 気 resistance の reduce を 観 measuring し た. < C > project "4 メ ガ バ ー ル を super え る ultra-high 圧 technology open 発" ト ロ イ ダ ル type ま た は 2 sections of の ダ イ ヤ モ ン ド ア ン ビ ル を design, make し て pressure born 発 limit numerical を exploring し, さ ら に physical properties determination を may と す る electrode プ ロ ー ブ の scions into に も し success, low temperature か つ メ ガ バ ー ル の super 伝 under the guide line measurement を っ た. "The first principle of electronic state calculation を コ ン ピ ュ ー タ · シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 発" crystal structure explore new た gimmick を し に test case, ポ テ ン シ ャ ル エ ネ ル ギ ー surface ト レ ッ キ ン グ と name pay け た. こ れ を first principle of the electronic state method と group み close わ せ て, こ れ ま で よ り も の い high precision electronic state line calculation が え る よ う に な っ た. Above の り, メ ガ バ ー ル の high pressure に よ る super conductor 伝 の 発 see の makes や, functional materials synthesis の establishing が, こ れ ま で の element displacement や ド ー ピ ン グ な ど と い っ た の operation limit を break で き る こ と を shown し た. High pressure の super 伝 guide を は じ め 駆 first な results は future の material function open 発 の new た な base plate を な す と expect で き る.​ し か し water element compound と 単 body water element の た め の ultra-high 圧 の 発 raw お よ び settle な water element sealing check と water supply source の use は, this study に よ り sharply に progress し た と い え る. Now, め て attention さ れ て い る water element compound の high temperature super 伝 conductor の synthesis に お い て, そ の crystal structure の be 験 with set of お よ び high temperature super 伝 proposed alternate material の は, theory of に よ る explore の precision upward と あ わ せ て emergency に be applied す べ き subject で あ る.

项目成果

First-principles search for high pressure phases of O-H compounds

第一性原理寻找 O-H 化合物的高压相

• 发表时间: 2016
• 作者: Y. Shuto;T. Ishikawa;A. Nakanishi;T. Oda;and K. Shimizu
• 通讯作者: and K. Shimizu

高圧下における鉄‐軽元素系の融解関係：地球核の温度構造への応用

高压下铁-轻元素体系的熔化关系：在地核温度结构中的应用

• 发表时间: 2015
• 作者: Akio Goto;Hidemi Ishibashi;Takehiko Hiraga;鎌田誠司，鈴木那奈美，前田郁也，寺崎英紀，大谷栄治，平尾直久，大石泰生，福井宏之，Alfred Q.R. Baron;鎌田誠司，坂入崇紀，高畑明拓，小林幸太，高橋豪，寺崎英紀，大谷栄治，平尾直久，大石泰生
• 通讯作者: 鎌田誠司，坂入崇紀，高畑明拓，小林幸太，高橋豪，寺崎英紀，大谷栄治，平尾直久，大石泰生

物質の超高速変形と破壊：XFELを用いた観測のアプローチから

材料的超快变形和破坏：来自使用 XFEL 的观察方法

• 发表时间: 2018
• 作者: 尾崎典雅;松岡健之;ALBERTAZZI Bruno; 宮西宏併; 片桐健登; 梅田悠平;HARTLEY Nicholas;PIKUZ Tatiana;山内和人;兒玉了祐;松岡岳洋;奥地拓生;瀬戸雄介;丹下慶範;佐藤友子;関根利守; 坂田 修身;犬伏雄一;富樫 格;籔内俊穀;矢橋牧名;VINCI Tommaso;KOENIG Michel
• 通讯作者: KOENIG Michel

Phase with pressure-induced shuttlewise deformation in dense solid atomic hydrogen

• DOI: 10.1103/physrevb.90.104102
• 发表时间: 2014-09
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: T. Ishikawa;H. Nagara;T. Oda;N. Suzuki;K. Shimizu

高圧力下電気抵抗測定によるEu化合物の価数状態の考察

通过测量高压下的电阻来考虑 Eu 化合物的价态

• 发表时间: 2014
• 作者: 佳山周永;加賀山朋子;清水克哉;仲村愛;辺土正人;仲間隆男;大貫惇睦
• 通讯作者: 大貫惇睦