広島大学は8月27日、理論的に予言されていた液体ビスマス中の原子が等間隔に整列した構造(パイエルス歪)の実証に成功したと発表した。

同成果は、同大の乾雅祝 教授、梶原行夫 助教、宗尻修治 准教授、熊本大学の細川伸也 教授、慶應義塾大学の千葉文野 専任講師、高輝度光科学研究センター(JASRI)の尾原幸治 研究員、筒井智嗣 主幹研究員、理化学研究所(理研)のアルフレッド・バロン准主任研究員らによるもの。詳細は米国科学誌「Physical Review B」(オンライン版)に掲載された。

ビスマスは安定な元素の中で最も原子番号が大きく、各原子が3本の短い結合と3本の長い結合で結ばれた歪んだ立方構造をとる半金属として知られており、その構造はパイエルス歪が形成されることで実現されている。融点が271℃、沸点が1551℃と約1300℃の温度範囲にわたり液体状態を示すことでも知られており、近年の科学演算の性能向上により、液体中の原子や分子が、協調的に集団運動することによって生まれる縦波音波(粗密波)や横波音波である「音響モード」が10nm-1以上の運動量の大きい領域まで残存し、励起エネルギーが運動量に依存しない一定値になる特異な領域が現れることが予言されるようになっていた。

今回、研究グループは、SPring-8を用い、運動量の小さな領域で広い範囲の励起エネルギーを測定したところ、液体ビスマスの音響モードを表す非弾性散乱ピークの振る舞いが理論による予言と一致することが証明されたとするほか、ナノオーダーの領域で見た場合、パイエルス歪を伴う結晶の原子配列が形成されていることが示唆されたとする。

この結果について研究グループは、液体中には、原子間にはたらく力を忠実に反映した規律のある構造がナノメートル程度の範囲にわたって形成されていることが示されたことから、原子間に働く力を制御することでナノ構造をデザインできることが実験的に明らかとなったと説明しており、今後、液体母合金からの新物質創成やナノテクノロジーなどの分野に、大きなインパクトを与えることが期待されるとしている。