希ガスの圧力誘起金属化

稀有气体的压力诱导金属化

• 批准号: 09740282
• 负责人: 清水 克哉
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 1998
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09740282/
• 关键词: 希ガス; 超高圧; 金属化; 電気抵抗; 超伝導; ダイヤモンドアンビルセル; 圧力誘起相転移; 絶縁体-金属転移; 電気抵抗測定

本年度は実際に希ガスのキセノン(Xe)を高圧装置(DAC)に封じこみ、超高圧力下実験を行った。キセノンは閉殻電子構造を持ち、結晶構造及び電子構造ともに最も単純な絶縁体の一つである。超高圧力下に於いて絶縁体-金属転移を研究する上で最も基礎的かつ重要な情報を与えると考える。過去に別の研究者からキセノンの金属化については2,3の報告がある。それらはいずれも光学的な測定によるものであるが、130〜150GPaの圧力域で金属化を報告している。それに対して、本年度に行った我々の電気抵抗測定による金属化の検証は、より直接的な実験といえる。キセノンは常温常圧で気体であり、低温状態で液化させて封止するが、液体状態を取る温度域が161K〜165K(融点〜沸点)と非常に狭いため、正確な温度制御が必要であり、昨年度製作した低温封止装置を使用した。100GPa超の超高圧を発生するためにDACに用いるダイヤモンドの圧力発生先端面は直径50ミクロンを使用し、その面内約30ミクロン径の穴を作成し試料室とする加工技術を確立した。低温でキセノンを封じ込めたDACを室温まで昇温した後、顕微鏡で観察しながら加圧を進めた。圧力が100GPaを超えた付近で試料のキセノンが赤みを帯び、光学測定から金属化臨界圧とされた130GPaまで加圧を進めたが、電気抵抗は測定器(デジタルマルチメータ)の測定限界抵抗(300MΩ)より大きく、測定できなかった。さらに顕微鏡観測からは試料の赤色は濃くなったものの透過光が観測され、キセノンは130GPaにおいても金属化せず、過去の光学測定による報告と反する結果となった。さらに圧力を上げていくと200GPaでは透過光が全く観測できなくなったが、最終的にダイヤが割れた270GPa付近まで300MΩ以下の電気抵抗は測定できなかった。電極断線の疑いもあるが、少なくとも200GPa付近が金属化圧であろうと結論した。昨年度に行ったCsIの結果と比較すると、CsIは約110GPaで金属化が確認できた。ほとんど同じ(電子)構造・体積圧縮率を持つキセノンが2倍近い金属化圧をもつことは興味深い。本研究の過程に於いて世界最高の270GPaに至る超高圧発生と電気抵抗測定技術を確立したことで、究極の目標である水素の金属化に大きく近づいたといえる。

今年，稀有气体氙（XE）实际上是在高压装置（DAC）中密封的，并在超高压力下进行了实验。氙气具有封闭的电子结构，是晶体和电子结构中最简单的绝缘子之一。据信，它提供了最基本，最重要的信息，用于研究超高压力下的绝缘体金属过渡。过去，其他研究人员报告了一些有关氙气金属化的报告。这两者均已光学测量，但已报道了130-150 GPA的压力范围的金属化。相反，可以说使用今年进行的电阻测量值验证金属化是一个更直接的实验。氙气是在室温和正常压力下的气体，在低温下被液化和密封，但是流动性的温度范围非常狭窄，范围从161K到165K（熔点到沸点），因此需要准确的温度控制，并且使用了去年制造的低温密封装置。 DAC中用于产生超过100GPA的超高压的钻石的尖端表面为50微米，并且已经创建了直径约30微米的孔，以形成样品室。在低温下将含有氙气的DAC加热至室温，然后在显微镜下观察时进行加压。样品中的氙气在压力超过100 GPA时变成红色，并从光学测量到130 GPa进行压力，这是临界金属化压力，但电阻大于测量限制（300MΩ）的测量仪器（数字仪器）（数字仪器），并且无法测量。此外，微观观察结果表明，尽管样品在红色中较暗，但观察到了传输的光，并且即使在130 GPA时也没有金属化的透射光，这与先前的光学测量结果相反。当压力进一步增加时，无法在200GPA处观察到发射光，但是在钻石破裂之前，无法测量低于300MΩ的电阻。人们怀疑电极已经破裂，但得出的结论是，金属化压力至少约为200 GPa。与去年进行的CSI结果相比，已证实CSI在大约110 GPA时被金属化。有趣的是，具有几乎相同的（电子）结构和体积压缩比的氙气具有几乎是金属化压力的两倍。在这项研究的过程中，该公司建立了世界上最高的超高电压产生和电阻测量技术，达到了270GPA，这导致了一种重要的方法来实现氢金属化的最终目标。

项目成果

M.I.Eremets: "Metallic CsI at Pressure of up to 22D Gigapasculs" Science. 281. 1333-1335 (1998)

M.I.Eremets：“压力高达 22D Gigapasculs 的金属 CsI”科学。

N.Takeshita: "Pressure Induced Superconductivity of Sn I_4" Rev.High Pressure Sci. Technol.7. 595-597 (1997)

N.Takeshita：“Sn I_4 的压力诱导超导”Rev.高压科学。

Soji Kometani: "Observation of Pressure-Induced Superconductivity of Sulfur." Journal of Physical Society of Japan. 66・9. 2564-2565 (1997)

小谷宗二：“硫的压力诱导超导性的观察”。日本物理学会杂志 66・9（1997）。

Kiichi Amaya: "Pressure-induced Superconductivity in Some Simple System." Proc. of AIRAPT-16 & HPCJ-38 International Conference on High Pressure Science & Technology(Kyoto1997).

Kiichi Amaya：“一些简单系统中的压力诱导超导性。”

S.Kometani: "Pressure Induced Superconductivity of Sulfur" J.Phys.Soc.Jpn.66. 2564-2565 (1997)

S.Kometani：“硫的压力诱导超导性”J.Phys.Soc.Jpn.66。