新しい分光法により圧縮セリウムの加速緩和ダイナミクスが明らかに

2023 年 6 月 7 日

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高圧科学技術先端研究センターによる

ガラスとガラス現象を理解する上での大きな障害は、緩和力学とガラス構造の間のとらえどころのない関係です。 HPSTARのQiaoshi Zeng博士率いるチームは最近、極圧下の金属ガラス系における原子スケールの緩和ダイナミクス研究を可能にする新しい現場高圧広角X線光子相関分光法を開発した。 この研究は米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に掲載されています。

金属ガラス（MG）は、従来の金属やガラスの両方に比べて多くの優れた特性を備えており、世界的な研究の焦点となっています。 典型的なガラスと同様に、熱力学的に準安定な材料である MG は、さまざまな緩和動的挙動を通じて常により安定した状態に自発的に進化します。

これらの弛緩挙動は、MG の物理的特性に大きな影響を与えます。 それでも、これまで、科学者がガラスの緩和力学、特に原子構造との関係について理解を深める能力は、利用可能な技術によって制限されてきました。

「シンクロトロン X 線光子相関分光法 (XPCS) の最近の改良のおかげで、ガラス質サンプルの粒子の集団運動を高分解能かつ時間スケールで広範囲に測定することが可能になり、これにより、他の方法ではアクセスできないさまざまな微細な動的プロセスが実現できるようになりました。眼鏡の中で探索されている」とゼン博士は語った。

「しかし、これまでの緩和過程の測定では原子構造の変化はわずかであったため、構造と緩和挙動との関係を調べることは依然として困難でした。この問題を克服するために、構造を効果的に入れ替えることができる高圧を採用することにしました。」 MGを含む様々な素材を使用しています。」

この目的を達成するために、チームは圧縮中にセリウムベースの MG 材料を調査するためのその場高圧シンクロトロン広角 XPCS を開発しました。 その場での高圧広角XPCSにより、一般に密度が増加すると予想されるように、原子の集団運動が最初は減速することが明らかになった。 その後、直観に反してさらなる圧縮によって加速し、~3 GPa で異常な非単調な圧力誘起定常緩和ダイナミクス クロスオーバーを示します。

さらに、これらの結果をその場での高圧シンクロトロンX線回折と組み合わせることで、緩和ダイナミクスの異常は、サンプル密度または全体の応力レベルのいずれかに応じて単調に増加するのではなく、圧縮中の局所原子構造の劇的な変化と密接に相関していることがわかります。

「密度が増加すると、一般にガラス内の原子は移動または拡散しにくくなり、その緩和ダイナミクスが遅くなります。これが静水圧圧縮から通常期待されることです」と Zeng 博士は説明しました。

「したがって、圧力下でセリウムベースのMGで観察された非単調緩和挙動は非常に珍しいものであり、これは密度に加えて、構造の詳細もガラスの緩和ダイナミクスにおいて重要な役割を果たしている可能性があることを示しています」とZeng博士は説明した。

これらの発見は、ガラスの緩和ダイナミクスと MG の原子構造の間に密接な関係があることを示しています。 Qiaoshi Zeng 博士のグループがここで開発した技術は、さまざまなガラス、特に圧縮によって大幅に調整可能なガラスの緩和ダイナミクスと原子構造の間の関係を調査するために拡張することもでき、極限条件でのガラスの緩和ダイナミクス研究に新たな機会を提供します。

詳しくは： Qiaoshi Zeng et al、金属ガラスにおける定常緩和ダイナミクスの圧力誘起非単調クロスオーバー、米国科学アカデミー紀要 (2023)。 DOI: 10.1073/pnas.230228112

雑誌情報:米国科学アカデミーの議事録

提供：高圧科学技術先端研究センター