博士（理学）古田陽雄
学 位 諭 文 題 名Dynamics of the order‑disorder phase transition studied
by impulsive stimulated Brillouin scattering（ パルス 誘導ブリ ルアン 散乱によ る秩序 ・無秩序 型相転移のダイナミクスの研究）

学位論文内容の要旨

1．I
nt
roduction
秩 序・無秩 序型相転 移のメ カニズム を解明 する際に 、巨視 的な値で ある秩序 変数を構成 するミ クロな構 成要素 の運動（ 配向） のダイナ ミクスを 解明す ることは 必要で ある 。こ の 運 動 は、 ポ テ ンシ ャ ル障壁AE
で へだて られた2つの 極小ポテ ンシャル 位置間の運 動とし て解釈さ れるが 、このAEを 見積も ることは 、この 運動のダ イナミク スを解明 する 上 で 極 めて 重 要 であ る 。そして 、この A
Eは、孤立 系にあ る1ケ のdipoleの緩 和
時 間roの 測 定に よ っ て見 積 もら れる。故 にてoの値を 決定す ることは 、秩序・ 無秩序型相 転移の メカニズ ムを解 明する上 で本質 的な重要 性を持つ 。そし て、これ まで様 々な実 験が報 告されて きたが 、例えば 、典型 的な強誘 電体であ るTG
Sにおいて 、その てoの報 告されて いる値に は大き なぱらっ きがあ る。
本研 究では、 有極性 分子であ るグリシ ンの配 向に伴う 強誘電性相転移をすぢr、GS及び、 無極性 分子であ るNH4十の配向 に伴う 相転移を するNH
4Cnこつい て、秩序 変数と 結合し ている音 響モード をパル ス誘導ブリルアン散乱（ISBS）を用いて精度良く測定する
こ と に よ っ て 、 配 向 緩 和 時 間 の 温 度 係 数 か ら て oを 測 定 する こ と を 目的 と す る。
2． ConstructionofISBSsystem
ISB
Sは、2本の超 短光パル スを時 間・空間 的に物 質内部で 交差、 一致させ る。その結果、 物質内 部に干渉 縞とし て非常に 強い光電 場が瞬 間的な外カとして加えることができ、 その応 答として 、物質 内部にコ ヒーレン トなフ ォノンを励起する方法である。
そして 、励起 したフォ ノンを プローブ 光のプラ ッグ回 折を用いて測定し、それによル
フォノ ンの動 的振る舞 いを実 時間領域 で測定で きる。 本研究では、ISBSシステムの構
築 を フ ォノ ン を 励起 す る ため の 超 短 光パ ル ス とし て cwQSML N
d:YLFlaserの 波 長1053nmの 発 振 線 を 用 い 、 プ ロ ー ブ 光 と して Ar十レ ー ザ ー（ 波 長 514.5nm)及 びYLFレ ーザ ー の S
HG波 （波 長 527nm)を用 い て 行っ た 。 その 結 果、 以下で 述べるコ ヒーレントフ ォノン の検出に 成功し た。

3． Appl
ic
ationtotheorder‑disorderphasetr
ansitionTG
Sに つし ゝて は、 0.5GHz領域にあるC33準縦波音響モードを励起し測 定を行った。
そして、そのモードの音速の温度依存性を測定し、緩和時間の温度依存性は（2．0土0．4）
Xl0−io(Tc−．T）―1(sec)と求められた。さらに測定周波数を変え、2.
OGHz領域にある音響モードを励起し、測定を行った。その結果、(
1.
6土0.
4)X
10−io(Tc−T）―1(sec)と求められた。
NH4C1に つ い て は 、 950MHz， 750MHz， 400MHzの 異 な る 3つ の 周 波 数 領 域 で Cll縦波 音響 モー ドを 励起 し、 相転 移 点(242K)近傍 で観 測し た。その結果、この3つの異なる 周波 数領 域で 音速 の分 散を 観測した。そして秩序変数の配向緩和時間 の温度依存性
は(6:0土0.
4)X10−9(Tc―T）−1(sec)と測定された。

学位論文審査の要旨主査
副査
副査
副査

木駿郎
教 授
徳 永正晴
助教授 辻 見裕史
講 師野 嵜龍介
教授 八

学位論文題名 ．

Dynamics of theorder‑disorder phasetransition studied
by impulsive stimulated Brillouin scattering（ パル ス誘導ブリルアン 散乱による秩序・無秩序型相転移のダイナミクズの研究 ）近年、単色性の優れた光源として普及したレーザーを用いたラマン散乱、ブリルアン散乱等の分光学的方法による相転移現象の動的機構の解明に関する研究が盛んに行われている。しかし、その多くは物質中で熱的に励起されたフォノン、ポラリトン等の素励起のスベクトルの観測から、相転移機構のダイナミクスを論じることを目的としており、素励起そのものを必要に応じて励起してプ口ーブとして用いる能動的な研究は未開拓の分野で、今後の発展が大いに期待されている状況にある。
本論文はこのような状況にある相転移研究の分野で、最近きわめて急速な進歩を見せているピコ秒の時間幅を持つ超短バルスレーザー技術を応用し、バルス誘導ブリルアン散乱システムを本邦で初めて構築することに成功して、任意の伝播方向と波長を持つコヒーレントフォノンを励起し、相転移のオーダーパラヌータとの結合を通して相転移機構のダイナミクスを直接解明したものである。この新しいバルス誘導ブリルアン散乱法では2個のコヒーレン卜なピコ秒幅の光パルスを試料内の任意の位置に時間・空間的に一致交差させることにより、その交差角から励起フォノンの波長を、また光バルスのフーリ工幅から励起フォノンの振動数を、それぞれ選択して励起することができる。したがって、この方法によると任意の波長と振動数を持つコヒーレントフォノンを励起できることになる。これまで伝統的に用いられてきたラマンあるいはブリルアン散乱などの分光学的方法では、入射レーザー光の振動数の変化から、物質内で熱的に励起された揺らぎのうちのある特定の波長をもっものを選択し、さらに分光器でそのエネルギーを分解することでスベク卜ルとして観測し、振動数を決めていたことになるのに比ぺると、この論文での方法の優れた点

はコ ヒーレント な、っま り位相の そろった 励起状態 としてのフォノンを観測するのでそのS/N比が き わ めて 優 れ てい る こと で あ る。 さ らに ま た 励起 したフ ォノンの運 動を遅延 時間を 持ったプ口 ーブパル スを入射 すること で検出す るので、物質中の進行に伴うフォノンの 速度 あ る いは 減 衰 のよ う な基本的 物理量を 実時間で 直接観測 できるとい う点であ る。
本研 究 では ま ず 300ピ コ 秒の 時 間 幅を も つ光 バ ル スを 発 生 する YAGレー ザ ー およ び 60
ピコ 秒の時間幅 の光パル スを発生 するYLFレー ザ、ーを 用いてバ ルス誘導ブ リルアン 散乱
シス テムを構築 し、その 性能改良 を進めて 相転移の 研究に適用した。研究対象とした相転移 は、 一 軸 性強 誘 電 体の 代 表物 質 で ある 硫 酸グ リ シ ン（ TGS）と その同族化 合物セレ ン
酸 グリ シ ン （TGSe） に おけ る 秩 序・ 無 秩 序型 ー 常誘 電 性 ・強 誘 電性 相 転 移で あ る。 これら の強誘電体 は相転移 点以上の 常誘電相 では対称 中心を持ち非圧電性であるが、相転移によ り強誘電相 になると 対称性の 低下によ り対称中 心が失われ圧電性が生じる。そのため
音響 フォノンは 常誘電相 では分極 揺らぎと 双一次の 結合をしないが、転移点以下で双一次の結 合をしその 結果、分 極揺らぎ のダイナ ミクスを 反映した振る舞いを示すようになる。
本研 究では分極 軸（b軸） に直角方 向に伝わ る縦波音 響フォノ ンを励起し 、その相 転移におけ る振る舞い を観測し た。測定 された音 響フォノ ンの振動数は従来の超音波法とブリルアン 散乱法によ って報告 されてい る振動数 範囲の空 隙を埋めるものであった。そして双一次結 合機構に基 づく解析 の結果、 分極揺ら ぎの緩和 時間が求められ、従来の方法による間接的 な決定結果 に対して 絶対値が 意味をも つ正しい 緩和時間を初めて与えることに成功した。 さらに本研 究では無 極性ー秩 序・無秩 序型相転 移をする塩化アンモニウム結晶の相転移を 取り上げ、 その相転 移につい ても同様 に音響フ ォノンと結合する分子配向の揺らぎの緩和 時間を測定 した。そ の結果、 超音波実 験で従来 報告されてきた緩和時間は、本研究で直接 的に実時間 フォノン の振る舞 いを観測 すること で求めた正しい緩和時間に比較して、約1桁 ほど小さい ことが明 らかにな った。
これ らの結果を 要するに 、著者は 相転移の ダイナミ クスを規定する基本量としての緩和時間 を、新しい 実験方法 を構築し それを駆 使するこ とで従来の研究結果に修正を迫る新しい知見を得たものであり、代表的強誘電体及び誘電体物質における秩序．、無秩序型相転移の ダ イ ナ ミ ク ス の 研 究 に 対し て きわ め て貢 献 する と ころ が 大き い もの が あ る。
よっ て 著者 は 、 北海 道 大学 博士（理 学）の学 位を授与 される資 格あるもの と認める 。