GRC Ｎｅｗｓ Letter2023.3.30

国立大学法人

No.65

愛媛大学

地球深部ダイナミクス研究センター〒790-8577 松山市文京町2-5
TEL：089-927-8197（代表）
FAX：089-927-8167
http://www.grc.ehime-u.ac.jp/

併設され、観測所設置以来の古い地震計や高圧装置が展示されており、見学者の受け入れを行っていることを知り、この機会に是非訪れたいと考えセンター長挨拶ました。
センター構成本来ならば学会参加者に広く呼びかけたかった
NEWS＆EVENTS:
ところですが、コロナ禍下においてあまり大勢で300万気圧領域での金属鉄の音速測定
おしかけるのも気がひけるので、同学会の役員経土屋旬准教授が国際会議で総会講演
験者など、高圧地球科学関連分野の気心が知れた
第6回GRCイメージコンテスト2022結果
関係者数名に声をかけました。
第6回PRIUSシンポジウム開催報告
会議の前日に参加者 5 名が集合して車に同乗、ジオダイナミクスセミナー
最寄りの JR 駅から約 30 分の同観測所を訪れました。卒業研究で京都から通った建物もほぼ当時の新人紹介
ままで、昔見た記憶のある巨大なフーコー振り子
ALUMNIレポート No.30
や、スス掛けされた記録紙に波形を描く古い地震
最新の研究紹介
計などを見学でき、50 年近く前にタイムスリップ
センター機器紹介
したような感覚を覚えました。案内と丁寧な解説
先進超高圧科学研究拠点（PRIUS）をしていただいた同観測所の飯尾能久教授には、一同心より感謝しています。
高圧研究者として最も目を惹いたのは、1918 年に志田順と松山基範により作製された「重錘式圧センター長あいさつ
縮装置」で、計算上は直径 1cm の試料に 2 万気圧の圧力を印加できるというものです。この時期は、
入舩 徹男
高圧力の父とも称され 1946 年にノーベル物理学賞を受賞した P.W.ブリッジマンが、対向アンビル
昨年 12 月に型装置を開発した頃とほぼ一致します。残念なが完全対面方式でら、この装置を使った高圧発生に関する記録は残3 日間開催されっていないようですが、100 年以上前にこのようた、日本高圧力な装置が我が国で作製され、しかもそれが現存し学会主催の高圧ていることに一同大きな感銘を受けました。
討論会に久しぶ
ちなみに志田順は深発地震の存在を、第一発見りに参加しまし者とされる和達清夫以前に指摘していたことで知た。コロナ禍以前と同様の参加者数があり、全体られています。また松山基範は、近年「チバニアの懇親会は行われなかったものの、研究活動の本ン」でも有名になった地磁気の反転を最初に示し
格的な再開が強く印象に残った会合となりました。 たことで有名です。松山の弟子の一人が故川井直
会場の茨木市に隣接する高槻市の郊外には、
人阪大教授で、現在も超高圧科学分野で我が国を1930 年に設置された京大の阿武山地震観測所が始め世界各国で用いられている、「川井型マルチア
あり、古くから地震観測や高圧実験が行われてきンンビル装置」の生みの親です。
ました。実は私にとっても、卒業研究として高圧
京大地球物理の出身で、その後特徴ある高圧装下での相転移実験を行うなど、この業界に入った置を開発したもう一人が、愛媛大工学部の西武照きっかけとなった場所です。最近ミュージアムも男名誉教授です。西武先生は最高発生圧力 4 万気目次1客員教授 Baosheng Li（ストニーブルック大学鉱物物性研究施設特任教授）
客員教授 鍵 裕之（東京大学大学院理学系研究科教授）客員教授 八木健彦（東京大学名誉教授）
客員教授 舟越賢一（CROSS中性子科学センター研究開発部次長）
客員教授 平井寿子（元愛媛大教授・前立正大教授）
客員教授 井上 徹（広島大学大学院先進
理工系科学研究科教授）
客員教授 大藤弘明（東北大学大学院理学研究科教授）
客員教授 西山宣正（住友電気工業（株）
アドバンストマテリアル研究所
グループ長）
客員准教授 西 真之（大阪大学大学院理学研究科准教授）
客員准教授 丹下慶範（住友電気工業（株）
アドバンストマテリアル研究所主席）圧という、世界でも類のない高圧流体装置を作製し、高圧下での弾性波速度の精密測定を可能にしました。このグループと理学部の地球物理関係者により、2001 年に設立されたのが本研究センター（GRC）です。
GRC では現在世界最大の装置も含め、様々なタ
イプの川井型マルチアンビル装置を設置し、全国の共同利用・共同研究拠点「先進超高圧科学研究拠点（PRIUS）」に認定されています。今回の阿武山訪問で、京大を源流とする高圧科学研究の潮流
が愛媛大学において受け継がれていることを再確認するとともに、GRC/PRIUS が地球深部科学や超高圧科学関連分野の更なる発展に貢献できればとの思いを強めました。

センターの構成（R5.3.1現在）



実験系地球科学部門
入舩徹男（特別栄誉教授）
西原 遊（教 授）
河野義生（准教授）
境毅（准教授）
大内智博（准教授）
Steeve Gréaux（講 師）井上紗綾子（助 教）桑原秀治（助 教）
國本健広（特定研究員）
福山 鴻（学振特別研究員）
Marisa Wood（学振外国人特別研究員）



事務
研究支援課・研究拠点第2チーム
相澤麻衣 （チームリーダー）
八丈野真子（サブリーダー）
宮本菜津子（事務補佐員）
八城めぐみ（研究補助員）
濱田愛子 （事務補佐員）

NEWS＆EVENTS

数値系地球科学部門
土屋卓久（教 授）
亀山真典（教 授）
土屋 旬（准教授）
出倉春彦（講 師）
Shengxuan Huang（学振外国人特別研究員）❖

300 万気圧領域での金属鉄の音速測定❖ 超高圧材料科学部門
内藤俊雄 （教授：理工学研究科兼任）
松下正史 （教授：理工学研究科兼任）
山本 貴 （准教授：理工学研究科兼任）❖❖

教育研究高度化支援室（連携部門）
山田 朗（リサーチアドミニストレーター）
新名 亨（ラボマネージャー）
目島由紀子（技術専門職員）
白石千容（研究補助員）

内核の構造と化学組成は、地球科学における未解明の最重要課題の一つであり、高圧下での金属
鉄の音速はそのための重要な手掛かりの一つです。
客員部門
東北大学大学院理学研究科の生田大穣博士らは、客員教授 Yanbin Wang（シカゴ大学GSECARS
理化学研究所放射光研究センターのグループ、お代表・主任研究員）
よび GRC の境毅准教授と共同で、SPring-8 の放射
客員教授 Ian Jackson（オーストラリア
国立大学地球科学研究所名誉教授） 光 X 線と、ダイヤモンドアンビルセルを用いた静2

的高圧実験により、音速測定の測定圧力条件を先行研究の 2 倍に相当する 300 GPa 以上に拡張し、地球の内核境界に相当する圧力下での金属鉄の音速測定に初めて成功しました。
この結果、本研究で明らかにされた金属鉄の音速と比べ、地震学的研究により決定されている内核の音速は、縦波速度で 4％、横波速度で 36％遅い
ことが分かりました。このことから、地球の内核は、硫黄とケイ素を多く含むが酸素に乏しい特徴を持つことが示唆されました。なお、本研究における300 GPa 領域での非弾性 X 線散乱データの収取には、境毅准教授による GRC の集束イオンビーム加工装置（FIB）を用いた高度なダイヤモンドアンビ
ル微細加工が重要な役割を果たしました。
本研究成果は、日本時間 2022 年 11 月 25 日午後 6 時公開の Nature Communications 誌に掲載されました。

GRC では広報活動と PRIUS における交流活動の一環として、GRC 構成員や PRIUS ユーザーを主な対象として、写真や動画などを中心とした「イメージコンテスト」を開催しています。過去 2 年間はコロナ禍で GRC/PRIUS の活動が大きく制約されていたため、それぞれの自粛期間中に撮影された写真・動画等を応募いただきましたが、第 6 回目を迎える 2022 年度のコンテストでは、“コロナ禍を超えて”というテーマで募集しました。その結果国内外より 30 件近い応募作品が寄せられ、オンライ
ンツールを用いた作品の展示とコメントのやり取り、また投票もオンラインで行われました。12 月 23
日に開票の結果、14 件が受賞作品として選出され、オンラインで発表及び受賞式が行われました。受賞作品は本ニュースレターの最後に掲載しています。

【論文】Ikuta, D., Ohtani, E., Fukui, H., Sakai,❖ 第 6 回 PRIUS シンポジウム開催報告

T., Ishikawa, D., Baron, A.Q.R. (2022): Soundvelocity of hexagonal close-packed iron to the
Earth’s
innercore
pressure,
NatureCommunications, doi:10.1038/s41467-022-34789-2.

❖❖

第 6 回 GRC イメージコンテスト 2022 結果

GRC が運用する共同利用・共同研究拠点（先進超高圧科学研究拠点：PRIUS）の第 9 回 PRIUS シ
ンポジウムが、2023 年 2 月 28 日(火)～3 月 1 日(水)の 2 日間にわたりハイブリッド方式で開催されました。PRIUS シンポジウムは拠点の活動報告を兼ねて、毎年年度末にトピックスを決めて開催
しています。PRIUS 認定 10 年を迎える今回のシンポジウムでは、高圧下での物質科学・材料科学をテーマとして設定し、岡山大学異分野基礎科学研究所特任教授の秋光 純先生と、物質・材料研究機
構国際ナノアーキテクトにクス拠点長の谷口 尚先生による特別講演とともに、2 件の招待講演を含めた 25 件の研究発表が行われ、合計 80 名近い
参加者がありました。

土屋旬准教授が国際会議で総会講演

国際結晶学会（IUCr）は結晶科学分野の国際学会ですが、IUCrの高圧科学
コミッションでは定期的に各国
でワークショッ
プを開催しています。2022年のIUCr高圧ワーク
ショップは12月6日～10日にシカゴのアルゴンヌ
国立研でハイブリッド形式で開催されましたが、会期中3名のPlenary Speakerの一人にGRCの土屋旬准教授が選ばれました。土屋准教授は氷高圧相中の水素の挙動について、第一原理計算に基づく
自身の最新の成果を交えたレビュー講演を、会議
3日目にオンラインで行いました。

ジオダイナミクスセミナー【 参考 HP 】 IUCr Plenary Speakers | GSECARS(uchicago.edu)
https://gsecars.uchicago.edu/education-andoutreach/2022-iucr-high-pressure-workshopadvanced-high-pressure-crystallography/plenaryspeakers/

５月
5/19“High pressure generation over 4 megabar Ⅲ”
Takeshi Sakai (Associate Professor, GRC)
3

今後の予定（詳細はHPをご参照下さい）

過去の講演

第579回“Synthesis of polycrystalline diamondfrom glassy carbon and examination of
its formation process”
Chinatsu Ogawa (Msc student, GRC)
2022.10.21

glass under pressure as structural
origin of the anomalous properties”
Yoshio Kono (Associate Professor,
GRC)
2023.2.10

第580回“Earth's core containing sulfur predictedby ab initio iron-silicate partitioning
simulations”
Kei Itoh (Msc student, GRC)
2022.10.28

新人紹介
Shengxuan Huang(学振外国人特別研究員)

第581回“第一原理計算から予測される含鉄ケイ酸
塩メルトにおける鉄の電荷不均化反応”
Kazushi Kitaguchi (Msc Student, GRC)
2022.11.4

My name is Shengxuan
Huang. I joined theTheoretical
MineralPhysics Group at GRC
as a JSPS postdoctoral
researcher at the endof September, 2022.
Before coming to GRC,
I studied under thesupervision of Prof. Shan Qin and Prof. Xiang
Wu at School of Earth and Space Sciences,
Peking University, where I obtained thebachelor degree in 2015 and the Ph.D. degreein 2021 in geology (geomaterials andenvironmental mineralogy). I worked as a Boya
postdoctoral
researcher
at
the
same
department after graduation. My research area
and interests are focusing on interactions
between iron and volatiles in the Earth’s andplanetary interiors, offering insights into
the evolution and habitability of terrestrial
planets from the geophysical and geochemical
points of view.
During my Ph.D. period, I employedsynchrotron-based XRD combined with DAC
techniques as well as first-principles
calculations to investigate the storage ofnitrogen in the inaccessible deep Earthbecause our silicate Earth is depleted by anorder of magnitude in nitrogen in comparison
with other volatiles, which is the so-called
Earth’
s “missing nitrogen mystery”. We havefound that (i) the metallic iron of the
reduced mantle has the capacity
toconcentrate nitrogen from the subductedslabs; (ii) iron carbonitrides with diverse
structures are likely the main host for
nitrogen in the reduced mantle
andencapsulated heterogeneously in superdeep
diamonds; (iii) carbon and nitrogen should beconsidered as a whole regarding their effects
on the structure and properties of planetary

第582回“応力履歴依存レオロジーをもつマントル
対流シミュレーション:プレート運動の再現に向けて”Hiroki Taito (Msc Student, GRC)
2022.11.18
第583回“Formation of‘weak’fault gouge as aresult of deformation of olivine on
the surface of a metastable olivine
wedge”
Kohei Matsuda (Msc Student, GRC)
2022.11.25
第584回“Phase relation in a natural hydrous
basalt under the lower mantle
condition”
Yuta Ishikawa (Msc Student, GRC)
2022.11.25
第 585 回 “ Strain-induced crystal preferredorientation
of
phase
D
and
implications for seismic anisotropy
in subduction zone at depth of mantle
transition zone”
Wentian Wu (PhD Student, GRC)
2022.12.9
第586回“Elastic properties of fcc-Fe under
lunar core conditions”
Marisa Wood (JSPS Postdoctoral Fellow,
GRC)
2022.12.16
第587回“Solubility of CaSiO3 in bridgmanite:
From a historical perspective”
Tetsuo Irifune (Director/Professor,
GRC)
2023.1.27
第588回“Tetrahedral symmetry breaking in SiO2
4

core materials. These studies imply that the
Earth’
s missing nitrogen could exist as the
Fe-N-C compounds in the current deep Earth if
only a small amount of nitrogen degassed andescaped to space during the Earth’s formation
stage.
It should be pointed out that our previous
studiescannotpreciselyanswerthe
distribution of nitrogen in deep reservoirs.
Core-mantle differentiation is one of themost significant processes controlling theinitial distribution of nitrogen in the early
Earth. Therefore, motivated by previous
results, I intend to explore the partitioning
behavior of nitrogen between the metallic
melt and silicate melt at high pressuretemperature conditions relevant to the coremantle differentiation. This will provide amore complete picture of the fate of nitrogenin terrestrial planets through geologic
periods and shed lights on the delivery ofvolatiles to our planet. However, it israther challenging to correctly measurepartition coefficients at extreme conditions
either experimentally or theoretically,
especially for volatile elements, such as
nitrogen. At GRC, I work with Prof. Taku
Tsuchiya who has done pioneer work in thisfield and developed a complete method tocompute the partition coefficients of anelement under various chemical and physicalconditions. We believe that with theaccomplishment of this project, we willquantitively answer the Earth’s“missing nitrogen
mystery”and have a better understanding of theformation processes of Earth and otherterrestrial planets.
I would like to give my sincere thanks to
Prof. Taku Tsuchiya who gave me the opportunity
to work in TMPG. I also thank other TMPG groupmembers including Prof. Jun Tsuchiya, Prof.
Dekura, Dr. Ritterbex, Ito-san, Kitaguchi-san,Nakagawa-san and Nishiyama-san for their warm
welcome and insightful discussion. Finally,
I really appreciate the help from Miyamotosan and Shiraishi-san without whom I could
not have settled down in Matsuyama andinitiate the research project smoothly.

ALUMNI レポート㉚❖

北海道大学量子集積エレクトロニクス研究センター
教授，石川史太郎

令和 4 年 4
月から北海
道大学の量
子集積エレ
クトロニク
ス研究セン
ターに勤め
ることにな
りました。
大学院は情報科学院の情報エレクトロニクスコー
スというところに所属しています。研究室名は先進ナノ電子材料研究室で、新しいナノスケール半
導体材料開発を目指します。着任後およそ一年が過ぎ、なんとか最近こちらでも半導体結晶成長装置の移設を終え、試料を作ることができるようになってきました。そちらの結果についてご紹介させて頂きます。
研究は半導体結晶を原子レベルで組み上げていく分子線エピタキシー結晶成長に取り組んでいます。対象は化合物半導体のガリウムヒ素という、光性能と高速電子動作が得られる材料を中心に、その機能開発、デバイス応用を目指しています。
ナノスケールの材料は量子効果の発現など、より大きな状態では得られない機能を発現させられます。私はガリウムヒ素を針状の結晶：ナノワイヤとして成長し、その他材料との新しい接合構造の実現などからこれまで以上の機能発現を目指しました。ナノワイヤは、その一本一本がレーザーや太陽電池といった半導体デバイスとして動作させられることが知られています。最近私のグループ
では、直径 200nm、長さ 6μm 程のナノワイヤを２インチのシリコン基板全面に成長することに成功しました。７億本ほどのナノワイヤが基板表面に出来上がり、その特性は均質で高品質でした。ナノスケールの素材は加工や大容量合成が一般的に困難です。一方、構成元素のガリウムが適切な温度・圧力下では自然に水滴ができあがるように小さなサイズで基板表面に散らばり、そこからワイ
ヤ結晶が出来上がることを利用することで、前処理などを行わず、単一の結晶作製プロセスのみで今回の成果が得られました。従来シリコンにこのような光機能をもつ半導体を接合する手法は各種試みられてきましたが、この結果はその中でも簡便にシリコン上で高機能な光デバイスが実現でき
る有望な結果ではないかと考えています。
写真は北大で作った大容量ナノワイヤ試料の第1 号です。特に興味深いのが、その試料の“真っ黒な”見た目でした。これまでの経験では、輝く半導体鏡面、ここでは試料の縁に残るシリコンの鏡面が成長後も保持されたものが優れた試料として
5

レーザーなどが良好動作しました。一方、結晶の透明感や鏡面の光沢が失われ、黒ずんだり色がついた場合は、およそ特性はあまり期待できないものでした。
従って、このような真っ黒な試料は非常に品質の悪いものではと。しかし、この試料の特性は上述のとおり優れており、見た目も眺めていると魅力的な吸い込まれるような整った黒色で、美しいと感じるようになりました。また、その理由もナノワイヤによる光の乱反射や効果的光吸収によるもので、物理的にも確かなものでした。こういった見た目の高機能な結晶が存在するということも、
今後発信していければと思っています。
愛媛大学で勤めた 9 年間のうち、後半 4 年間は
GRC の兼任教員としてメンバーの一端に加えて頂きました。近況をご紹介させて頂くにあたり、研究室名や実際の取り組みまで書いてやっと接点が感じられる「ナノ」、「材料」という単語が出てくるように思いました。兼任期間ご一緒させた頂いたことで、今も日々の結晶合成やその特性評価では、GRC の皆様の研究との多くの共通点を感じています。いつも出来上がった結晶に超高圧を加えて頂くことで未知の機能発現が起きるのではということが頭から離れずにおりまして、実現のアイ
ディアが浮かんだ際は、どうぞまたご一緒させて頂けると大変嬉しく思います。

最新の研究紹介❖Sound velocities in the deep lunar mantle

The Moon has undergone differentiation andis composed of a crust (35～45 km), a mantle,
and a small metallic core (< 350 km), as shownin Figure 1c. The composition of the lunar
interior is largely unconstrained; however, thedeep lunar mantle is likely to be composed toolivine (ol), pyroxene (px), and garnet (gt)(Wieczorek+ Rev. Mineral Geochem. 2006; Taylor
Geochim. Cosmochim. Acta 2014). Recent studies
on the crystallisation of the lunar magma ocean(LMO) indicate that garnet may play asignificant role in the deep lunar mantle(Jing+ Earth Planet. Sci. Lett. 2022; Kraettli+
Icarus 2022, Johnson+ Earth Planet. Sci. Lett.
2021, Elardo+ Geochim. Cosmochim. Acta 2011).
Understanding the sound velocities of realistic
lunar mantle aggregates is critical for theinterpretation of lunar seismic velocity models,6

and constraints on the temperature andcomposition of the planetary interior.
Aggregates of lunar mantle composition, shownin Figure 1a and 1b, containing a significant
proportion of garnet, alongside olivine andorthopyroxene, were synthesised from glasses
at high pressure and temperature using themulti-anvil press. In situ experiments werecarried out at BL04B1 at SPring-8 wherecombinedmeasurementsofultrasonicinterferometry, X-ray diffraction, and X-ray
radiography were taken. These measurements
were taken at a range of temperature andpressure conditions of relevance to the deep
lunar interior.

The results are shown in Figure 2, where
global fits to P-T-Vp,Vs are shown alongside
lunar seismic velocity models from theliterature. This study is indicated with thesolid line and seismic velocity models from theliterature are shown with dashed lines.
Crosses indicate models at 300 K alongside thefitted data and seismic velocities; these arecalculated using finite-strain EOS to determine
the elastic moduli and densities of eachmineral, combined with their phase proportions.
These sound velocities in deep lunar mantle
compositions allow us to draw compositional
constraints on the lunar interior, and indicate
the possible presence of garnet dependent on
the lunar thermal profile. (Marisa Wood)❖ Crystal preferred orientation of phase D

to the condition of mantle transition zone.
The consequent CPO of the deformed samples
were acquired using 2D-XRD method because thecrystals of phase D are too fragile to form
Kikuchi band after exposure of accelerated
electron beam. The refined results show
maximum of (0001) poles generally along thefirst principal stress direction, withvarious intensities which are proportionalwith strain (0.04–0.4), and the final CPO
intensities
also
have
the
positivecorrelation with the increased temperature.
However, no other type of CPO was observed,
indicating basal slip is still dominant in
the experimental conditions.
The calculated seismic anisotropy usingelastic constants and CPO of Mg-phase D
indicate that fast shear wave generally
polarize in horizontal plane, which may havecontribution to radial anisotropy of Vsh > Vsv.
The shear wave anisotropy can be up to 2.4%,
making the delay time to be 0.22 s if 50 km
of phase D aggregate in thickness in slabs
and surrounding hydrous peridotite wasassumed. Hence, the phase D with CPO could
possibly be a contributor to the observed
radial anisotropy.（Wentian Wu：愛媛大博士後期課程 2 年）

Growing evidence suggests that near
subducted slabs, the mantle transition zone
and uppermost lower mantle are seismicallyanisotropic (Vsh > Vsv), especially near Tonga(Chen and Brudzinski, 2003; Ferreira et al.,2019; Lynner and Long, 2015; Nowacki et al.,2015). In view of the dynamic process of boththe mantle and subducted slabs, it isbelieved that crystallographic preferredorientation (CPO) of minerals constituting
mantle and slab probably accounts for thiskind of observed seismic anisotropy in the
deep mantle. In cold subducting slabs,
antigorite will transform into a series ofhydrous minerals so called dense hydrous
magnesium silicate (DHMS), which could stably
exist in cold subducting slabs where thegeotherm are relatively low, playing animportant role in water transport into deep
mantle. Among these DHMSs, phase D can beprobably stable at conditions of the lower
part of transition zone and the upper part oflower mantle. Its layered crystal structure
where MgO6 octahedron interlayered with SiO6
octahedron layers renders phase D an
anisotropic mineral both in rheology andelasticity, making their properties haveprofound influence on dynamic of subduction
zones. Therefore, phase D is expected to bea good candidate to shed some light on these
phenomena owing to its relatively high shear
wave anisotropy even at higher pressure up to
48 GPa (Mainprice et al., 2007; Tsuchiya andTsuchiya, 2008).
Rosa et al. (2013) first reported that phase
D can easily form CPO where (0001) planes
perpendicular with first principal stressdirection under the conditions up to 48 GPaand room temperature based on DAC apparatus.
However, the influence of temperature andstain rate have not been taken into account.
By using D111-type deformation apparatus, wehave conducted uniaxial deformation on thesynthesized Mg-phase D (Mg1.12Si1.97H1.87O6) under
20 GPa and 500～1000℃, with strain rate of
3.54 × 10-6～3.69 × 10-5 s-1, which is close

センター機器紹介❖

可搬式 D-DIA 型変形装置

D-DIA 型変形装置
はマルチアンビル型
高圧発生装置の一種であり、100 加圧方式の DIA 型ガイドブ
ロックの上下にそれ
ぞれ１つずつサブ油
圧機構を追加したものになります。D-DIA
型変形装置では、主油圧ポンプ（メインラム）でガイドブロ
ックを駆動させることで立方体状の圧媒体を均等に押し込むことで高圧力を発生させます。さらに 2 台のサブ油圧ポン
プ（D ラム）を駆動させることで圧媒体を上下から押しつぶし、圧媒体内の試料を変形させます。
当装置は 2003 年に Yanbin Wang 博士によって開発されて以降、放射光その場観察実験に適した構造を有していることから、世界中に広く普及しま
7た。日本では、2010 年及び 2012 年にはそれぞれ
高エネルギー加速器研究機構の PF-AR（ビームラ
イン NE7A）及び大型放射光施設 SPring-8（ビームライン BL04B1）に導入されており、今日まで数多くのその場観察実験に供されてきました。特に“その場”での差応力を測定する必要がある変形実験
では、当装置と単色 X 線を組み合わせた実験手法を採用することが一般的です。
PF-AR 及び SPring-8 のいずれのビームラインでも X 線光源はベンディングマグネットであるため、そこから供給される白色光を分光器によって単色
X 線（単一のエネルギーを持つ X 線）にする方式が採用されています。その結果、その単色 X 線フ
ラックスは限定的なものとなるため、差応力測定に必要な 2 次元 X 線回折パターンを撮影するのに
200 秒以上の露光時間を要します。この露光時間の長さは、塑性流動をはじめとした“ゆっくりとした”現象を実験対象とする際には問題となりませんが、破壊や相転移といったサブ秒単位で進行しうる高速現象を対象とする場合には重大な問題となります。そのような高速現象を高温高圧下でその場観察するには、高フラックスかつ高エネル
ギーの単色 X 線が必要不可欠となります。そのような X 線は近年になって開発が進んでいる、高エネルギー型アンジュレーター光源を有するビーム
ライン（例えば SPring-8 の BL05XU）で実験を行えばよいのですが、現状では D-DIA 型変形装置を常設することは困難であり、一時的な設置しかできません。その際に問題となるのは、既設の D-DIA
型変形装置は大型（重量 10 トン超）であるために、
ビームラインへの一時的な設置や撤去が不可能であるという点です。しかも D-DIA 型変形装置だけではなく、プレスステージ（X 線の入射方向に対して変形装置のアライメントを調整するための土台）もセットで設置・撤去を行わなくてはいけま❖

PRIUS 利用者の声

せん。BL05XU をはじめとしたアンジュレーター光
源ビームラインへ D-DIA 型変形装置及びプレス
ステージを一時設置するには、それらの合計重量が 5 トン未満である必要があります（クレーンや台車の重量制限のため）。その上、2 次元 X 線回折パターンを撮影でき、種々の用途に対応可能な大型ガイドブロックを搭載し、かつ許容最大主荷重を少なくとも 200kN とする等の各要望に応える必要がありました。これらを全て満足する設計に到達するのは容易ではありませんでした。ワーキンググループでの議論の結果、プレスフレーム部を典型的な“4 本柱”ではなく、複数枚の板フレームとすることで D-DIA 型変形装置の重量を大幅カットできることを見出しました。これによって、行き詰っていた設計が一気に前進しました。先人達がビームラインへマルチアンビル型高圧発生装置を導入する際には並々ならぬご苦労があったであろうことを痛感した次第です。
設計が終わり、装置の制作段階に入った後には新型コロナ等の世界情勢の変化が新たな問題として立ちはだかりましたが、無事に GRC によって可搬式 D-DIA 型変形装置が SPring-8 へ導入されました（専用プレスステージは理化学研究所によって導入）。2022 年 11 月にはこれら（写真）を用いた初の放射光その場観察変形実験を BL05XU にて行うことができました。当ビームラインでは２次
元 X 線回折パターンを撮影するのに必要な露光時
間は 0.5 秒程度であり（CdTe 2 次元検出器を用いた場合）、これはクラック伝播のタイムスケールと同程度です。今後さらに露光時間が短縮されうる
ポテンシャルも十分にありますので、今後も当装置を用いた実験を継続していくことにより、高温高圧下においてサブ秒単位で進行する高速現象の素過程が解明されていくものと期待されます。(大内智博)

分野の枠組みを超えた研究を展開するチャンスが得やすいという点が挙げられると思うのですが、今年度はその利点を特に大きく感じた一年となり
私は PRIUS の共同ました。私の研究では弾性波速度という物性値の利用実験装置の一つ変化という形でガラスの高圧構造変化を検出するである X 線その場観ことを試みているのですが、どのような構造変化
察弾性波速度測定装が起これば観察された速度変化を再現できるのか
置を利用して、酸化という点を理解するためには、やはり構造そのも物ガラスの高圧構造のを決定する実験も必要となってきます。ただし、物性変化の様式を実
弾性波速度測定と同様に、高圧その場で構造デー
験的に明らかにする
タを取得することには非常に高度な実験技術が必ことを目的として研究を進めております。 要となります。しかし本課題では、GRC の河野義生博士が開発に携われた SPring-8 や APS の高圧
PRIUS を利用した共同研究の利点の一つとして、
8conversion efficiency of the thermoelectric
devices needs to be increased above thecurrent ～5% [2].
A promising and innovative approaches tostudy thermoelectrics are extreme conditions
studies. This type of studies conducted athigh pressure and high or low temperature
permit to explore the structural, electronic
and magnetic properties of these materials
but also permit to emulate the strain-stressfields that emerges in these materials inthin film of the final devices. Suchfundamental knowledge at the atomic level isneeded to finally improve their efficiency.
We have therefore extensively employed X-ray
absorption spectroscopy (XAS) as our main
tool to probe local atomic rearrangements.
XAS is an ideal element selective techniquefor probing the local atomic structure andelectronic properties in a panoply ofmaterials. The unique combinationofsynthetic nano-polycrystalline diamond (NPD)
anvils (provided by collaboration with GRC
Ehime University: Prof. T. Irifune and Dr. T.
Shinmei) and diamond anvil cell apparatus(DAC) was a revolution in the field of HPXAS, offering great scientific opportunity
for this community. For my research, I used
the unique beam characteristics provided by
the Extremely Brilliant source of theEuropean Synchrotron Radiation Facility(Grenoble, France) and the X-ray absorption
spectroscopy end-station BM23. There, theNPDs are mounted in special DACs for lowtemperature or high-temperature and highpressure XAS experiments, see figure
below.[3] These devices are then mounted onhighly optimized experimental stations that
we have improved significantly in terms of
position reproducibility, multi-detection
modes (XRD, Raman, XAS, XRF) and weightacceptance, which was necessary to study the
micro-metric samples contained in the DACs
with the highly focused beam available at
BM23 (3×3 µm2).
Since the inauguration of the ESRF

その場 XRD 測定システムを利用させていただくことができ、高圧その場で高品質なガラスの構造
データを取得することに成功しました。さらに、
数値シミュレーションを専門とする研究者との共同研究の機会もいただくことができ、一部のガラ
ス試料については 3 次元的な高圧構造モデルを得ることもできました。様々な分野の研究者を巻き込んだ研究を展開することで、現在では当初の想定よりもかなり詳細に酸化物ガラスの高圧構造変化を議論することができるようになりました。このような分野横断型の研究を実施する機会を与えていただいたことにつきまして、PRIUS 関係者の皆様、特に実験全体のサポートを行ってくださった河野博士、Steeve Gréaux 博士にこの場を借りて御礼申し上げます。
なお、私の研究課題は 2022 年度から新たに設けられた「若手提案共同研究（設備利用型）」として採用されております。この若手枠に採用されると、GRC 滞在の旅費支援や装置利用回数等、一般課題
よりも優遇されます。私のように愛媛から離れた地域に住む若手研究者にとって、GRC や SPring-8 で何度も実験を行うことは経済的に大きな負担になるのですが、本年度は予算の不安を全く感じることなく、計画通りに実験を進めることができました。論文の出版という形で支援のお返しができるよう、今後も精力的に研究を進めていく所存です。
（大平 格：学習院大学理学部化学科助教）❖

PRIUS 利用者の声

My research programis mainly focused onhigh-pressure
synthesis
andcharacterization ofnovel energy materials
forthermoelectric
applications.
The
present energy crises
and the increasingenergy demand of our society urge for seeking
new energy sources or increasing the efficiencyof the old ones. However, currently during
energy production more than two thirds of thetotal energy is wasted as heat. This heat
waste prevents achieving greater energy
efficiency. Thermoelectric devices have theability to retransform this heat waste into
electrical energy, and could therefore reducetheportionofwastedenergy[1].
Thermoelectric generators have no moving
parts, require minimum maintenance, and aremuch more reliable than most traditional
power generation systems; however, before
this technology becomes widespread, the9Extremely Brilliant Source, we have performed
several successful experiments using X-ray
absorption spectroscopy under pressure. For
instance, we characterized the insulatormetal transition, spin-phonon coupling, andelectron-phonon coupling at atomic level inthermoelectrics such as TlNiO3 [4] and PrNiO3[5] nickelates. We also discovered that thehigh-pressure induces the band structure
tuning in novel thermoelectrics based on
CoSb3 skutterudites, which enhanced theirefficiency as the electronic properties are
improved. This mechanism was unveiled byfollowing the atomic behavior from HP-EXAFS
data at Sb K-edge [6]. We are looking forward
for new developments in the NPDs which could
allow us to better investigate the local
atomic properties
inquasi-hydrostatic
conditions by improving the impermeability of
NPDs to light gases (as hydrogen and helium).
These gases permeate quite often between NPDs
grain boundaries, reducing their stability
and leading to structural failures.
(Dr. Joao Elias F. S. Rodrigues, postdoctoral fellow at the beamlines BM23/ID24,
ESRF-Grenoble, France)

Cooler. Appl. Energy 2015, 143, 1–25.
[3] Rosa, A.D., Mathon, O., Torchio, R., Jacobs,J., Pasternak, S., Irifune, T., Pascarelli,S., Nano-polycrystalline diamond anvils:
key devices for XAS at extreme conditions:
their use, scientific impact, present
status and future needs. High Pressure
Research 2019, 40, 1, 65–81.
[4] Rodrigues, J.E., Rosa, A.D., Garbarino, G.,
Irifune, T., Martínez, J.L., Alonso, J.A.,
Mathon, O., Evidence for a pressure-induced
phase transition in the highly distorted
TlNiO3 nickelate. Submitted to Journal of
the American Chemical Society.
[5] Rodrigues, J.E., Rosa, A.D., Gainza, J.,
Mijiti, Y., Garbarino, G., Irifune, T.,
Nemes, N.M., Martínez, J.L., Mezouar, M.,
Alonso, J.A., Mathon, O., Phase diagram for
PrNiO3 and the interplay between the
structural, electronic, magnetic, andvibrational properties across the phasetransitions. In preparation for Chemistryof Materials.
[6] Rodrigues, J.E., Rosa, A.D., Gainza, J.,
Garbarino, G., Irifune, T,; Martínez, J.L.,
Alonso, J.A., Mathon, O., Band structure
tuningandimproved
thermoelectric
properties induced under pressure in CoSb3
skutterudites:an
EXAFS
study.
In
preparation for Chemistry of Materials.

References[1] Champier, D. Thermoelectric Generators: A
Review of Applications. Energy Convers.
Manag. 2017, 140, 167–181.
[2] He, W., Zhang, G., Zhang, X., Ji, J., Li, G.,
Zhao,
X.,
RecentDevelopment
andApplication of Thermoelectric Generator and編集後記：WBCで仕事にならない2日間でした。来
年度はいいことがありそうです。（T.I & Y.M.）。

10

第 6 回 GRC イメージコンテスト 2022 受賞作品
第１位

第２位

「 世 界 最 古 の超 高 圧 装 置 」「第 1 回 GRC 論 文 合 宿 i n 大 三 島 」

第 ３位

第 ４位

「 月 食 &天 王 星 食 」「 ダイ ヤモ ンド の詰 め合 わせ」

第 ５位「瀬 戸 内 海 」「獣 道 の中 見 えた景 色 」「 ヒ メダ イ ヤど り」

第 ８位「 ミカ ン の食 べ方 」

「 T h e w i n t e r e nd s i n 「彼 岸 花 と S OS EK I LA B」
Á v ila (Spa in )」セ ンタ ー長 賞 ：D i ve r si t y of ba b y s he ll f i sh 、照 紅 葉 、羽 衣 の開 き方

11「用 済 みヒ メ ダイ ヤ」