数万気圧極低温下での単結晶Ｘ線結晶構造解析に成功！
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圧力下新奇物性解明に光
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屋大学大学院 学研究科 中埜 俊博士後期課程学生 澤 博教授 国立研
究開発法人 子科学技術研究開発機構 綿貫 徹博士 高輝度光科学研究 ン
杉 邦久博士 大型放射光施設SPring-81) 力 単結晶X線回折実
験2) 結晶構造解析3)方法 確立 電気通信大学 東京大学物性研究所 総合
科学研究機構中性子科学 ン 高エ 速器研究機構物質構造科学研究
所 力 劇的 変化 示 物質 結晶構造 変化 明
々 身 回 多く 機能性材料 生活 支え く い
実際 役 立 様々 外場 4) 対 応答 研究さ 力 最
基 的 外場 物質 性質 劇的 変化さ 将来 々 社会
変えう 物理現象 多く発見さ い 新奇 物理現象 く解明
力 い 精密 結晶構造 決定 単結晶X線
回折 結晶中 規則 く配列 原子 散乱現象 用い 原子配置
精密 決定 力 単結晶X線回折実験 構造解析手法 十分整備
さ 精密 結晶構造解析 報告 比較的単純 物質 限 い
今回 々 研究 SPring-8 ラインBL22XU 高 実験用X線
回折計 用い 高 単結晶X線回折実験 測定法 改良 び構造解析手法
開発 行い 力 1～8 万気 温度 263～30℃ 変化さ 様々 条件
構造解析 行う 3 万気 原因 明 相転移 5) 示 遷移金属 6)層
状化合物7)Ta2NiSe5 構造解析 精密 決定 Ta2NiSe5 1960年代
理論的 予言さ 励起子絶縁体 8) いう珍 い電子状態 実現 い
さ 数少 い候補物質 現 物理現象 解明 向 世界中 研
究 行わ い 応用面 高効率 赤外線検出材料 注目さ い
大変興味深い物質 あ 々 高 温 いう多 極限条件 精密
構造解析 層状構造 材料 層間 ン相互作用 9)
層 ライ 特異 相転移 引 起 い 突 単結
晶X線回折 十分 精度 結晶構造解析 可能 あ 示
今後 幅広い物質 力 電子状態 議論 可能
研究 果 2018年1 25日 英国時間 国際結晶学誌 International
ポイン
力 詳細 電子状態 議論 可能 精密 結晶構造 力 単結晶X線回
折実験 決定
大型放射光施設SPring-8 力 電子物性解明手法 新 展開 期待さ
研究背景 内容
々 現代社会 支え い 多く 機能性材料 使わ い
材料 様々 原子 構 さ い 電気 流 磁石 い
機能 原子間 相互作用 理解さ 従 原子 空間的 配置
状態 知 機能 理解 新 い機能性材料 創生 要 材料
中 原子 配列 周期性 い 結晶 配列 結晶構造 呼び
結晶構造 言 隣 合う原子間 間隔 10億分 1
あ 光学顕微鏡 直接観察 現 結晶構造解析 手法
最 主流 原子間隔程度 波長 X線 使 原子 持 電子 散乱
回折現象 結晶構造 解析 X 線回折実験 最近 大型放射光施設 進歩
あ 単結晶試料 用い X 線回折実験 行え 後 計算処理 自
動 結晶構造 決定 可能 い
原子間 相互作用 様々 条件 変え 興味深い物性 示 物質 探
索 方針 力 う 機能 変化 いう研究手法 昔
く知 い 例え 物質 力 1気 電気 流さ い
物質 あ 力以 環境 導電体 超伝導体 通常現 い新奇
多彩 物性 現 あ 中 将来 々 生活 変
う 新奇 物理現象 潜 く理解 大変 要
う 特殊 環境 い 原子配置 確 知 X線回折実験
う簡単 あ 例え 高 容器内 試料 用い X線回折実験 行う場
合 試料 力容器 X線 散乱さ い 試料 散
乱強度 精確 計測 困 あ 力 単結晶X線回折 実験技術 解
析手法 十分整備さ 精密 結晶構造解析 報告 比較的単純 物質 限
い
大型放射光施設 SPring-8 BL22XU 設置さ イヤ ン ン 回折計
高エ X線 温 高 単結晶試料 照射 高
輝度 高分解能 回折 得 目的 開発さ 装置 1) 々
良質 単結晶 準備 装置 用い 複数 物質 散乱 個別
抽出 解析法 開発 注意深く 寧 解析 精密 結晶構造
う 力 単結晶 X 線回折実験 対象 々 積層構造 持
Ta2NiSe5 取 物質 励起子絶縁体 いう非常 珍 い電子状態
実現 い 数少 い候補物質 現 物理現象 解明 向 世界中
研究 行わ い 最近 高効率 赤外線検出器 応用 注目
さ い 力 対 変化 興味深く 物質 室温 力 いく
約 3 万気 物質 状態 変化 相転移 いう現象 電気伝導 測定 示唆さ
力 相転移 機構解明 力 精密 結晶構造 解析 試
く用い 粉 試料 用い X 線回折実験 雲母 10) う 層状
化合物 あ 均質 粉 化 困 いう 物質特 問題 精密 構造
解析 困 精密 電子状態 解明 視 入 単結晶試料 用い
力 X線回折実験 う 必要 わ
解析 得 3万気 前後 結晶構造 2 示 2(a)(b) 1気
結晶構造 二 方向 見 様子 (c)(d) 3 万気 以 結晶構造 様子
b軸方向 積層方向 層 間 弱い ン ワ 力11) 結 い
青 点線 繰返 周期 表 単 胞12) 無限 繰 返さ 結晶
構造 定義さ 1気 結晶構造 3万気 以 結晶構造 見比べ
単 胞 大 さ b 軸方向 半分 い 分 (b)(d) 見
比べ 3 層 真 中 層 a軸方向 半周期 ライ い
分 単 胞 半分 い いう う 層 ライ
結晶全体 コ ン 13) 起 い いう あ 大変驚くべ 結果
力 う 構造相転移 生 い いう報告 あ
新奇 相転移現象 機構 い 精密 構造 得 解明
出来 わ 力 ン ワ 力 繋 層間
Se 距 近 く 着目 層 ライ 転移 起源 Se 幾何学的 空間配
置状態 ン相互作用 安定性 あ 突 う 起
源 相転移 報告 く 結晶学的 興味深い現象
果 意義 将来
今回 々 研究 単結晶 用い 力 X 線回折実験 相転移
起源 議論 十分 精度 結晶構造解析 可能 あ 示
々 研究 立 実験 解析手法 物質系 適用
結晶構造 解明 あ く理解 進 様々
系 力 新奇現象 解明 大 く貢献 期待さ 更 高 物
性測定 機能性材料 探索 い 合 化学者 大変 利 解析手段
1 SPring-8 右 ラインBL22XU 高 単結晶用回折計
2 (a)(b) 二方向 見 1気 30℃ Ta2NiSe5 結晶構造 (c)(d) 4万気 73℃ 結晶構造 (b)(d) b軸方向 積層関係 見比べ 例え Ta
原子 置 (b) 斜 あ 対 (d) 真 置 い 中点線矢
用語説明
1) 大型放射光施設SPring-8
兵庫県 播磨科学公園都市 あ 世界最高性能 放射光 生 出 理化学研究所
施設 運転 利用者支援 高輝度光科学研究 ン JASRI 行
い 放射光 電子 光 等 い速度 速 電磁石 進行方
向 曲 時 発生 細く強力 電磁波 SPring-8 放射光
用い バイ や産業利用 幅広い研究 行わ
い
2) 単結晶X線回折実験
単結晶 結晶 置 結晶軸 方向 変わ い あ 単結晶 用
い X 線回折実験 行う 結晶格子内 各原子 置 い 非常 高精度
多く 情報 得 測定 対 粉 X線回折実験 あ
結晶軸 バラバラ 異 多結晶 用い 行わ 単結晶 得 い い物質
や高 極限条件 方法 主 用い 情報 や 精度 単
結晶回折実験 及 い
3) 結晶構造解析
結晶中 原子 種類 原子 置 配列 方 対称性 決定
4) 外場
物質 近傍 周 外部 連続的 響 え 空間 例え 磁場 電場
力 あ
5) 相転移
物質 状態 変化 例え 水 氷 水蒸気 物質 性
質 導電体 絶縁体 変化 総称
6) 遷移金属
周期表 第3族元素 第11族元素 間 存 元素 総称 例え 鉄
ン 遷移金属 種
7) 層状化合物
原子 ベ 二次元的配列 積層 結晶構造 形 い 物質 例え
ラ イ 鉄砒素系超伝導体
8) 励起子絶縁体
物質中 電荷 持 孔 負電荷 電子 引力 引 合う
電気 流 く い 状態 1960 年代 理論的 予見さ い
近年 様々 実験的 証拠 提出さ あ 物性物理学分 ホッ
ッ
9) ン相互作用
荷電粒子間 働く 発 引 合う相互作用 大 さ 電荷
積 比例 距 2 乗 比例 逆 2 乗 法則 電磁気学 基 法
則
10) 雲母
11) ン ワ 力
分子間力 う 帯電 い い中性 分子 原子 士 間 働く 極子相互作 用
12) 単 胞
結晶 単 胞(ユ ッ ) 呼 構造単 3次元的 繰 返さ い
13) コ ン
相 揃 い 文章 中 単 胞 配列 巨視的 揃 い 指
論文
掲載誌： International Union of Crystallography Journals
論文 ： Pressure-induced “coherent sliding transition” in the excitonic insulator, Ta2NiSe5
著者：Akitoshi Nakano, Kento Sugawara, Shinya Tamura, Naoyuki Katayama, Kazuyuki
Matsubayashi, Taku Okada, Yoshiya Uwatoko, Kouji Munakata, Akiko Nakao, Hajime Sagayama, Reiji Kumai, Kunihisa Sugimoto, Naoyuki Maejima, Akihiko Machida, Tetsu Watanuki and Hiroshi Sawa
DOI：10.1107/S2052252517018334.
