2-6 実験物理学を手法とした新規現象発見と機能性材料開発●代表者

十代健（物理学科・教授）●分担者

高橋博樹（物理学科・教授）
橋本拓也（物理学科・教授）
上岡隼人（物理学科・教授）【研究の目的および概要】
物理学は実験研究と理論研究の両輪で発展してきた学問である。その実験研究に関して，物理学科の関係教員が結集し，お互いに情報交換を行いながら研究を進めた。
1.［ブラウン運動による混合溶液のゆらぎ観測］ 水とエタノール等のアルコールの混合溶液においてブラウン運動による変位の異常性が観測されている。混合溶液におけるコロイド粒子サイズ（〜 1 nm 程度）でのゆらぎに起因していると考えられ，ゆらぎから溶液の混合現象を解明する。
2.［チタン酸化物材料の機能性評価］ チタン酸化物は単純な金属酸化物の中では電気伝導性が高く，最近，チタン酸化物薄膜で 7K 程度の超伝導が報告された。しかしながら同じ組成のチタン酸化物結晶は超伝導を示さず，この相違の原因は明らかではない。本研究では，チタン酸化物薄膜について圧力を印加し，新しい状態を作り出すことで，電気抵抗測定から超伝導の発現条件および高い超伝導転移温度 (Tc) を開拓することを目的とする。
3.［二酸化炭素吸収・貯蔵材料の開発と機構解明］ 大気中の二酸化炭素の濃度制御は地球温暖化防止に向けて緊急の課題である。本研究では可逆的に二酸化炭素を吸収できる材料を開発するとともに，吸収・放出の機構を明らかにすることによって，さらに優れた材料を得る指針を明らかにすることを目的とする。
4.［機能性酸化物の合成と評価］ 各種の酸化物蛍光体を作製し，内包する希土類イオンの残光特性の評価を通じてイオン周りの配位子場の適切な制御を目指す。また各種の遷移金属酸化物において，金属−絶縁体転移をはじめとする相転移を光学および電気的に観測し，特性の評価と機構の解明を目指す。
【研究の結果】
1.［ブラウン運動による混合溶液のゆらぎ観測］ 動的光散乱法を導入し，ブラウン運動を光時間相関を通じて観測した。従来の光学顕微鏡を使用しての観測に比べ，直径 50 nm と小さい粒子サイズまで観測可能となり，溶液中のゆらぎに関して空間サイズを決定することができた。
2.［チタン酸化物材料の機能性評価］ マグネリ相とよばれるチタン酸化物 Ti4O7 薄膜の示す金属絶縁体転移と超伝導転移について，それらの転移温度を静水圧下および非静水圧下で測定を行った。静水圧下で Tc は圧力に対し単調に減少したが，非静水圧下で，超伝導発現に関連していると思われる c 軸が延びる方向に変形を加えたところ，Tc は圧力に対し上昇に転じるという結果が得られた。
3.［二酸化炭素吸収・貯蔵材料の開発と機構解明］ 固相反応法によりほぼ単相の Li3NaSiO4 の合成に成功した。二酸化炭素分圧を制御した熱天秤を用いて本物質の吸収・放出特性を評価し，これまでに報告されている Li4SiO4の特性と比較したところ，吸収・放出がおこる温度・二酸化炭素分圧条件には大きな差はないが，吸収速度は高くなり，特に実用条件に近い二酸化炭素分圧 0.01 〜 0.1 気圧で一桁以上高い反応速度定数を示すことを明らかにした。
4.［機能性酸化物の合成と評価］ 東工大細野・平松研が開発した p と n 型両方の電気伝導性をもつ新規な硫化物
SrHfS3 は，高効率な緑色発光を示した。その発光特性を定常および時間分解測定で詳細に調べ，短寿命な発光成分を新たに見出した。これが長寿命成分へエネルギー移動することで発光量が増加していると示唆され，これに基づいて本物質の励起電子のエネルギー状態が解釈された。

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【研究の考察・反省】
1.［ブラウン運動による混合溶液のゆらぎ観測］ 動的光散乱法により溶液ゆらぎの空間サイズを広い範囲で調べることができた。しかし，エタノール水溶液の濃度依存性が，光学顕微鏡による結果と動的光散乱法による結果が異なっていた。これは，ゆらぎの測定方法の時間スケールが異なるためであると考察しているが，より詳細に実験データを蓄積して評価する必要がある。
2.［チタン酸化物材料の機能性評価］ フロリナートを圧力媒体に用いた場合は，約 1 万気圧で固化するので，それ以上の圧力では非静水圧となる。薄膜の面に垂直方向に荷重を加えた場合は，面に垂直方向は大きく収縮するが，面内方向は基板のポアソン比に応じて延びるため，c 軸が増加する方向に変形する。このような変形を加える物性実験は初めての試みであり，Tc が c 軸とよく相関していることが明らかになった。今後より高い圧力までこのような測定を行い，結晶構造と超伝導の関係を詳しく調べる予定である。
3.［二酸化炭素吸収・貯蔵材料の開発と機構解明］ Li3NaSiO4 が二酸化炭素吸収材料として有望であることを示したのは実用に繋がる成果と考えている。しかしながら本研究で合成された試料は単相になりきっておらず，二酸化炭素との反応率は最大で 80％にとどまっている。原料の工夫や溶液法の導入により純度の高い試料を合成し，最大反応率を向上させる必要がある。
4.［機能性酸化物の合成と評価］ SrHfS3 の発光においては，伝導帯のバンド端と欠陥準位が励起電子の占める主要な状態となっている。この間での電子の推移を正確に解釈するには，特に欠陥準位について詳細に知る必要がある。現在，欠陥の起源の情報を得るために，EPMA や ICP による組成分析を行い評価する作業を実施している。
これらの結果をまとめ，近々に論文化と公表をする予定である。
【研究発表】
国際会議なし
国内発表・山添光貴，澁田

諭，十代

健 「動的光散乱法を用いたエタノール水溶液中のブラウン運動の観測」分子科学会オンライン討論会，（2020 年 9 月 17 日，オンライン開催）
・川村幸裕，高橋博樹他「CeCoSi の低温高圧 X 線回折と電気抵抗」日本物理学会，2020 秋季大会，（2020 年 9 月 9 日，オンライン開催）
・川島千弦，高橋博樹他 「Sr0.5La0.5FBiS2 の高圧下粉末 X 線回折測定」第 61 回高圧討論会 ,（2020 年 12 月 3 日，オンライン開催）
・上田諒大，高橋博樹他 「CeCoSi の低温高圧下 X 線回折実験」第 61 回高圧討論会 ,（2020 年 12 月 2 日，オンライン開催）【研究成果物】
・Kazuki Furukawa, Satoshi Shibuta, Ken Judai, “Viscosity study of tert-butyl alcohol aqueous solution by Brownianmotion and gravimetric capillaries”, Journal of Molecular Liquids, 319, 114170 (2020).（査読有）・Ping Miao, Hiroki Takahashi et al. “Origin of magnetovolume effect in a cobaltite”, Physical Review B, 103, 094302 (2021).
（査読有）

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・Manami Hirai, Eiki Niwa, Takuya Hashimoto, “Thermodynamic and kinetic analyses of high CO2 absorption property ofLi3NaSiO4 under various CO2 partial pressures”, Dalton Transactions, 50, 5301-5310 (2021).（査読有）34