超高圧力下の新物質科学：メガバールケミストリーの開拓

超高压下的新材料科学：兆巴化学的发展

• 批准号: 26000006
• 负责人: 清水 克哉
• 金额: $ 295.78万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014 至 2018
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-26000006/
• 关键词: 高圧力; 超伝導材料・素子; 金属物理; 磁性; 軽元素; 高温超伝導; 金属水素; 第一原理計算

(研究の目的)メガバールを超える圧力領域の物質科学を新展開させることを目的とすることで、これまで為し得なかった物質創造に挑戦する。特にシンプルなシステムや機能性物質は超高圧力による顕著な効果が期待できるので、以下の3項目 : 項目A「水素をはじめとしたシンプルなシステムの超高圧物性」、項目B「超高圧合成による機能性物質のフロンティア」、項目C「革新的な高圧力実験技術および理論計算手法の開拓」を重点的に焦点をあてて、必要な技術開発をあわせて行った。(最終年度の成果)高温超伝導が理論予測されている水素化物(イットリウム、ランタン、ストロンチウムの水素化物)を純水素、またはアンモニアボランなどの水素発生源とともに加圧し、レーザーにより加熱を行い合成を試みた。電気抵抗の変化やX線回折像を同時に測定し、その後に冷却し電気抵抗の温度変化を測定した。ランタン水素化物の合成に成功し、70ケルビンの超伝導の観測した。(期間全体の成果)以下に項目別に成果を抜粋して列挙する。<項目A>「水素化物の超伝導」200ケルビンの高温超伝導を示す硫化水素の結晶構造を実験的に決定し、単体水素と硫黄から直接的に高温超伝導体を合成することに成功した。また白金の水素化物の合成と超伝導化に成功した。<項目B>「熱電材料の超伝導」熱電材料であるマンガンーシリコンの2元系合金において、高圧下で超伝導を示唆する電気抵抗の減少を観測した。<項目C>「4メガバールを超える超高圧技術開発」トロイダル型または2段式のダイヤモンドアンビルを設計・作成して圧力発生限界値を探索し、さらに物性測定を可能とする電極プローブの挿入にも成功し、低温かつメガバール下の超伝導測定を行った。「第一原理電子状態計算を用コンピュータ・シミュレーション開発」結晶構造探索手法を新たに考案し、ポテンシャルエネルギー面トレッキングと名付けた。これを第一原理電子状態計算手法と組み合わせて、これまでよりも精度の高い電子状態計算が行えるようになった。以上の通り、メガバールの高圧力による超伝導体の発見、機能性材料の創出や合成法の確立が、これまでの元素置換やドーピングなどといった操作の限界を打破できることを示した。高圧力下の超伝導をはじめ先駆的な成果は今後の物質機能開発の新たな基盤をなすと期待できる。(今後の展開計画)上記の通り、設定した研究3項目において計画に近い成果を得たが、究極の挑戦項目であった固体水素の金属化には毛結果的には技術が未確立であり到達しなかった。しかし水素化物と単体水素のための超高圧の発生および安定な水素封止と水素供給源の利用は、本研究により大幅に進展したといえる。現在、極めて注目されている水素化物の高温超伝導体の合成において、その結晶構造の実験的同定および高温超伝導候補物質の提案は、理論的手法による探索の精度向上とあわせて緊急に実施すべき課題である。

（研究目的）以在超过兆巴的压力范围内开发新材料科学为目标，我们将迎接创造以前不可能的材料的挑战。特别是，由于超高压，简单体系和功能物质可以预期具有显着的效果，因此以下三项：项目A“包括氢在内的简单体系的超高压物理性质”，项目B“我们重点关注超高压合成”功能材料前沿”和C项“创新高压实验技术和理论计算方法的开发”，并进行了必要的技术开发。 （最后一年的结果） 理论上预测具有高温超导性的氢化物（钇、镧、锶的氢化物）与纯氢或氨硼烷等氢发生源一起加压，并通过加热合成。我试过了。同时测量电阻变化和X射线衍射图像，然后测量冷却后电阻的温度变化。成功合成氢化镧并观察到70开尔文超导性。 （整个期间的成绩）以下是每个项目的结果摘录。 <项目A>“氢化物的超导性” 实验确定了具有200开尔文高温超导性的硫化氢的晶体结构，并成功地直接从元素氢和硫合成了高温超导体。他还成功合成了氢化铂并使其具有超导性。 <项目B>“热电材料中的超导性” 在作为热电材料的锰硅二元合金中，我们观察到电阻降低，这表明高压下具有超导性。 <项目C>“超过4兆巴的超高压技术的开发” 设计和制造环形或两级金刚石砧以探索压力产生极限值，并插入电极探针以实现物理特性的测量我们成功了。用于测量低温和兆压下的超导性。 “利用第一原理电子结构计算开发计算机模拟”我们设计了一种搜索晶体结构的新方法，我们将其命名为势能表面跋涉。通过将其与第一原理电子状态计算方法相结合，可以比以往更高精度地计算电子状态。如上所述，兆巴高压下超导体的发现、功能材料的创造以及合成方法的建立表明，克服元素替代和掺杂等常规操作的局限性是可能的。高压超导等开创性成果有望为未来材料功能开发奠定新的基础。 （未来的发展计划） 如上所述，我们在设定的三个研究项目中取得了接近计划的成果，但最终挑战的固体氢金属化技术尚未建立。但可以说，这项研究在氢化物和单质氢的超高压产生、稳定的氢密封以及氢气供应源的利用方面取得了重大进展。在当前备受关注的氢化物高温超导体的合成中，迫切需要对其晶体结构进行实验鉴定并提出高温超导候选材料，同时提高理论方法搜索的准确性。重要问题。

项目成果

Time-resolved X-ray diffraction and Raman studies of phase transition mechanisms of methane hydrate

甲烷水合物相变机制的时间分辨X射线衍射和拉曼研究

• DOI: 10.1063/1.4905482
• 发表时间: 2015
• 期刊: Journal of Chemical Physics
• 影响因子: 4.4
• 作者: H. Hirai;H. Kadobayashi;N. Hirao;Y. Ohishi;M. Ohtake;Y. Yamamoto;S. Nakano
• 通讯作者: S. Nakano

Superconductivity of platinum hydride

• DOI: 10.1103/physrevb.99.144511
• 发表时间: 2018-10
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: T. Matsuoka;Masahiro Hishida;K. Kuno;N. Hirao;Y. Ohishi;S. Sasaki;K. Takahama;K. Shimizu

Phase with pressure-induced shuttlewise deformation in dense solid atomic hydrogen

• DOI: 10.1103/physrevb.90.104102
• 发表时间: 2014-09
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: T. Ishikawa;H. Nagara;T. Oda;N. Suzuki;K. Shimizu

ダイヤモンドアンビルセルを用いた超高圧NMR測定の開発

使用金刚石砧室开发超高压 NMR 测量

• 发表时间: 2016
• 作者: 阪野文秀;椋田秀和;八島光晴;北岡良雄;榮永茉莉;益田明宜;清水克哉
• 通讯作者: 清水克哉

単純立方構造におけるフォノンの非調和効果に関する第一原理的研究

简单立方结构中声子非谐效应的第一性原理研究

• 发表时间: 2016
• 作者: 中西章尊;石河孝洋;清水克哉
• 通讯作者: 清水克哉