不純物、電場を用いた高圧氷の秩序化の観測

利用杂质和电场观察高压冰的有序性

基本信息

批准号：
18J13298
负责人：
山根崚
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J13298/
关键词：
氷水素秩序化高圧誘電率中性子回折誘電性無秩序

项目摘要

2009年にその秩序相（XV相）が初めて発見された氷VI相について、2018年に氷XV相以外に別の秩序相が存在する可能性が常圧回収した試料の熱測定から示唆された。氷VI相が二つの秩序相をもつならば、氷で初めての複数の秩序相をもつ無秩序相の発見であり、新しい氷の多様性の形態としてそのインパクトは計り知れない。本研究では、氷VI相の秩序化の高圧下その場観測を誘電率、中性子回折実験で行い、相境界や新しい秩序相の結晶構造の同定を目指した。高圧下誘電率測定の結果から氷VI相は実際に二つの秩序相を有することを相境界の熱力学的な考察から明らかにし、新しい秩序相は氷XIX相と名付けた。低圧側にXV相、そして1.5 GPaを境に高圧側にXIX相が存在している。この実験で得られた相図を参考に、日本の中性子実験施設であるJ-PARC（Beamline: PLANET）において、高圧下粉末中性子回折実験を氷XIX相の安定圧力領域内で行った。その結果、中性子回折測定からも秩序化による結晶構造の対称性の低下に伴うnew peakの出現が明瞭に観測された。さらに、氷XIX相の結晶構造解析の結果、従来知られていた氷VI相、およびその既知の秩序相である氷XV相の単位胞よりも2倍の単位胞体積をもつような並進周期性を有していることが分かった。これは、氷XIX相が未知相である明らかな証拠である。水素原子配置に関しては、P-4, Pcc2という二つの空間群で表わされる構造モデルがもっとも有力であるという結果を得た。これらの空間群は、空間反転対称性を持たないという点で、既知の氷XV相の空間群（P-1）と異なる。さらに、Pcc2の構造モデルはpolarな空間群でいわゆる強誘電氷である。水素原子配置の決定には、より詳細な構造研究が必要だが、氷XIX相はその結晶構造に関しても極性という面で非常に興味深い。

ICE VI相位于2009年首次发现了级别的阶段（XV相），这表明除了在正常压力下恢复的样品的热量测量值外，可能还有其他有序相。如果ICE VI阶段具有两个有序的阶段，则是第一个发现冰上有多个有序阶段的无序相的发现，其影响是一种新形式的冰多样性。在这项研究中，使用介电常数和中子衍射实验进行了高压下冰VI相的原位观察，旨在鉴定新有序相的相边界和晶体结构。从高压介电恒定测量结果的结果来看，从对相边界的热力学考虑上可以揭示出ICE VI相实际上具有两个有序相，而新的有序相被命名为ICE XIX相。 XV相存在于低压侧，而XIX相位在1.5 GPA的高压侧存在。使用该实验中获得的相图，在J-PARC的冰XIX相的稳定压力区域（Beamline：Planet）在日本的中子实验设施（Beam Line：Planet）进行了高压粉末中子衍射实验。结果，随着由于中子衍射测量的顺序下降，新峰的出现被清楚地观察到了晶体结构对称性的降低。此外，ICE XIX相的晶体结构分析表明，它具有翻译周期性，其单位血管内体积的大小是ICE VI相的单位细胞的两倍，这是先前已知的，并且已知有序相位的ICE XV相。这清楚地表明冰XIX相是未知阶段。关于氢原子的排列，最有可能由两个空间组P-4和PCC2表示的结构模型。这些空间组与已知的ICE XV相空间组（P-1）不同，因为它们没有空间反演对称性。此外，PCC2的结构模型是极地空间群，所谓的铁电冰。确定氢原子布置需要更详细的结构研究，但是就其晶体结构而言，冰XIX相也非常有趣。