Material Science of Hydrogen in the deep earth and planets

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これまでに高圧下でのX線回折や振動分光測定などの実験手法が確立され、地球深部や惑星深部に存在しうる水素を含むさまざまな物質の構造と物性に関する研究が進行した。研究室での室内実験とJ-PARCのパルス中性子源、SPring-8、高エネ研の放射光X線を最大限に活用し、氷高圧相、鉄水素化物、含水鉱物の構造解明でいくつかの成果が得られた。(1)氷高圧相と新規塩水和物の構造決定: 独自に開発した低温高圧下誘電率測定装置とJ-PARCにおける低温高圧条件での中性子回折実験により、新しい氷の多形（氷XIX）を発見した。氷XIXは、氷VIの水素秩序相に対応するものであるが、これまで知られてきた氷VIの水素秩序相（氷XV）とは異なる秩序相であり、一つの水素無秩序相に対応して複数の秩序相が存在することが初めて明らかになった。(2)金属水素化物の構造決定: 地球形成初期を模擬した高温高圧下での中性子回折実験を行い、鉄に取り込まれた水素量を決定し、硫黄の共存によって鉄の水素化が抑制されることが分かった。この結果から、鉄を主成分とする地球コアに含まれている軽元素候補の中で、水素と硫黄が溶け込む際の相互の影響が明らかになった。水素と硫黄が地球形成の初期段階で優先して固体の鉄と反応した後に、他の軽元素が鉄に溶けこみやすくなった可能性が示された。また、高温高圧下での放射光X線回折測定によって、Fe-H系の相関係を再検討し、相境界が従来報告されていた温度よりも150-300 K低くなることがわかった。(3)含水鉱物の高圧下での構造決定: 地球深部の含水鉱物にフッ化物イオンが取り込まれることによる影響を考察する目的で、Mg(OH)Fの高圧下での圧縮挙動とOH伸縮振動の圧力依存を実験的に明らかにした。