Home东北大学?大学院理学研究科?物理学専攻
教授：豊田直树
电话番号：022-795-6467(6604)
迟辞测辞迟补-苍＠濒诲辫.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫
広岛大学?大学院先端科学研究科?量子物质科学専攻
教授、サステナブル?ディベロップメント実践研究センター长
高畠敏郎
電話番号：082-424-7025 Fax: 082-424-7029
迟补办补产补＠丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
（＠は半角蔼に置き换えた上、送信してください。）
平成22年12月27日
国立大学法人 東北大学?大学院理学研究科
国立大学法人 広島大学
テラヘルツ光で见たラットリング振动の异常性
グリーンエネルギーを生む热电変换物质の开発への重要なヒント
概要
热电変换とは热を电気に直接変换することである。この変换効率が高ければ、製鉄所やごみ焼却炉などで発生する廃热を用いた発电が可能となるので、热电変换物质の开発はエネルギーの再生利用に重要な键を握っている。热电変换物质は、电気はよく流れるが热を伝えにくいという性质をもつことが必要である。热の伝导を抑える机构として、カゴ状物质中の原子のラットリング振动が最近注目されている。ラットリングとは赤ちゃん用玩具の「ガラガラ」という音に倣って名付けられたものである。
今回、东北大学?大学院理学研究科物理学専攻の豊田直树教授のグループ（低次元量子物理研究室）は、クラスレ-ト化合物叠补8Ga16Sn30のカゴに内包されているバリウム（叠补）原子のラットリング运动をテラヘルツ光で撮影することに成功した。この成果は、ガラス状物质にみられる低い热伝导と金属のような高い电気伝导がこの物质で共存するため热电変换効率が高いことを発见した、広岛大学?大学院先端物质科学研究科の高畠敏郎教授のグループ（磁性物理学研究室）との共同研究で得られた。论文は、年明けの１月７日発行のフィジカル?レビュー?レター誌（米国物理学会）にて発表される。
なぜ、クラスレートのような周期的な原子配列をしている物質が、構造が乱れたガラスと同じような熱伝導現象を示すのであろうか？ これまでの研究で、ガリウム(Ga)とスズ(Sn)がつくる１４面体カゴの4つの非中心サイト間を１個のバリウム原子がラットリング振動していることが知られている。（図２参照）つまり、バリウム原子は時間的にも空間的にも大きく揺らいでいるために、その位置を確定することはできない。この「構造のゆらぎ?乱れ」と熱伝導の問題は物理としても大変興味深い。
ところで、ゲストのバリウムは２个の电子をカゴに供与するので、电気的には中性ではなくなり２価の阳イオンとなる。従って、そのラットリングと同程度の振动数をもったテラヘルツ光を照射すると、バリウムイオンはその电场成分と直接的に相互作用して局所的な电流を运ぶことができる。今回の実験は、试料（図１参照）を透过したテラヘルツ光の电场ベクトル（振幅と位相の両方）の时间波形をフェムト（10-15）秒オーダーで超高速度撮影したものである。试料を室温から絶対ゼロ度近くまで冷やして得られたスペクトルには、ピークが分裂し、スペクトル幅が広がる様子がはっきりと映っている（図３参照）。ピークの分裂自体は复数の非中心安定点を持つことにより説明されるが、低温でのピーク幅の増大はきわめて异常なことである。一般的に、スペクトルの幅が広いことは、その振动モードが周りの「环境」と相互作用することで减衰しやすいことを意味する。したがって、热エネルギーが小さい低温では、エネルギー励起が抑制され相互作用は弱くなりスペクトル幅はより狭くなるのが通常の振る舞いである。今回のバリウムイオンの周りには、３次元的にネットワークを形成するカゴ上を伝播する音响型振动の波と比较的自由に动ける电子群が存在している。それぞれが热や电気を运ぶ主役であり、热电変换効率を决定している。非中心サイト间を大きく揺れ动いているゲストのラットリング运动は、これらの主役のどちらか（あるいは双方）と强く相互作用しているはずである。本研究が新たに提起した重要な问题は「ラットリング运动は、なぜ低温でより频繁に散乱され强く减衰するのだろうか？」であり、これに答えることが今后の课题である。
今回の成果は、ラットリング振动现象の异常性を明らかにしたことに意义がある。今后は、より効率の高い热电変换物质の开発への一助となるためにも、その物理学的理由を究明する必要がある。
本研究は、森龙也博士（现、分子科学研究所）、岩本慧修士（东北大学?大学院博士课程在学）、櫛引俊介学士（同修士课程）、本多裕典学士（同修士课程）、末国晃一郎博士（现、北陆先端科学技术大学院大）、マルコス?アヴィラ博士（现、ブラジル础叠颁国立大学准教授）など多くの学生と若手研究者を中心に行われた．文部科学省からグローバル颁翱贰プログラム（「材料インテグレーション」国际教育研究拠点、东北大学）および诸科学研究费（基盘研究础「连続したナノ空间に闭じ込められた物质の伝导ダイナミックス」、特定领域研究「配列ナノ空间を利用した新物质科学」、新学术领域研究「重い电子系の形成と秩序化」）の研究支援を受けた。
発表论文
T. Mori, K. Iwamoto, S. Kushibiki, H. Honda, H. Matsumoto, N. Toyota, M. A. Avila, K. Suekuni, T. Takabatake, (in press) Phys. Rev. Lett.
Optical conductivity spectral anomalies in the off-center rattling system β- Ba8Ga16Sn30.
（和訳: β型Ba8Ga16Sn30におけるオフセンター?ラットリングの異常な光学伝導スペクトル）
报道関係者へのお愿い
报道は本年１２月２８日（火）午前０时解禁、テレビ、ラジオ、インターネットなどでの発表はこの时刻以降、新闻に関しては同日付の纸上でお愿いします。
问い合わせ先
补足资料
１．滨型クラスレート化合物（化学式叠补8Ga16Sn30）の结晶と研磨による薄体化
フラックス法で育成された単结晶写真（左図）とダイアモンド研磨シートによる研磨した薄体试料（右図）。一センチ四方のサファイア基板に贴り付けてあり、この面に垂直にテラヘルツ光を照射する。
２．カゴ状构造とラットリング振动
小さい青色の球はガリウム(骋补)あるいはスズ(厂苍)原子を表し、２种类のカゴを构成している。これらは面を共有して繋がり、このユニットが３次元的周期的配列して结晶をつくる。右侧のカゴは12面体（すべて5角形面）、左のカゴは14面体（上下2个の6角形面とサイドに12个の5角形面）构造をしている。内包されたバリウムイオン（赤色）を、それぞれ叠补(1)、叠补(2)という。叠补(1)はカゴの中心近くで速く振动している。いっぽう、叠补(2)は中心から少し离れた４つの安定点の周りを大きな振幅で揺れている。この振动をオフセンター?ラットリングという。
３．テラヘルツ分光による振动スペクトル
Ba8Ga16Sn30（BGS）の３テラヘルツまでの周波数帯域で観測された振動スペクトルを、光の電場に遅れなく追随する電気伝導度（σ1）でプロットしてある。白丸が実験データ、下側の曲線はローレンツ共鳴曲線による解析を示し、左図が室温296K、右図が低温７Kでのデータである。振動数の低い順に、Ba(2)のオフセンター?ラットリング振動のxy面内成分 (赤)、それに垂直方向成分（緑）、Ba(1)の振動（青）、そしてカゴ自体の３種類の振動、総計６種類の振動モードが映っている。左右のデータを比較すると、振動数が最も低いオフセンター?ラットリングのxy面内振動のスペクトル幅だけが低温で約２倍に劇的に広がっている。
