Mode distribution analysis for superionic melt of CuI by coherent quasielastic neutron scattering

コヒーレント中性子準弾性散乱によるヨウ化銅超イオン伝導メルトのモード分布解析

川北 至信  ; 菊地 龍弥*  ; 田原 周太*; 中村 充孝   ; 稲村 泰弘  ; 丸山 健二*; 山内 康弘*; 河村 聖子   ; 中島 健次  

Kawakita, Yukinobu; Kikuchi, Tatsuya*; Tahara, Shuta*; Nakamura, Mitsutaka; Inamura, Yasuhiro; Maruyama, Kenji*; Yamauchi, Yasuhiro*; Kawamura, Seiko; Nakajima, Kenji

ヨウ化銅は高温固相で、ヨウ素イオンが作る面心立方格子の隙間を銅イオンが動く超イオン伝導体になることで知られている。溶融相でも、集団的あるいは協調的なイオンの運動を示す特徴がある。MDシミュレーションにおいて、銅イオンの拡散がヨウ素イオンより非常に速いこと分かっている。Cu-Cu部分構造因子にはFSDPと呼ばれる構造を持ち、銅の分布に中距離秩序があることを示している。さらに、Cu-Cu部分二体分布関数は、Cu-Iで形成される最近接分布に深く入り込んでいる。そうした溶融CuIの異常的振る舞いの原因を解明するために、J-PARCの物質・生命科学実験施設に設置されたディスクチョッパー分光器AMATERASを用いて、中性子準弾性散乱(QENS)実験を行った。構造可干渉性のQENSから得られた動的構造因子を理解するため、モード分布解析を行った。その結果、ヨウ素イオンの運動が局所的に閉じ込められた空間で揺らぐような運動であること、一方銅イオンはヨウ素イオンより速く拡散する運動をしていることが分かった。

CuI is a well-known superionic conductor in a high temperature solid phase where the mobile cations migrate between interstitial sites in the f.c.c. sublattice formed by iodine ions. Even in the molten state, it shows several features suggesting collective or cooperative ionic motion. MD results show that Cu diffuses much faster than I. The Cu-Cu partial structure factor have a FSDP which indicates a medium-range ordering of Cu ions. Moreover the Cu-Cu partial pair distribution deeply penetrates into the nearest neighboring Cu-I shell. To reveal origin such anomalous behaviors of molten CuI, we performed quaiselastic neutron scattering (QENS) by the disk-chopper spectrometer AMATERAS at MLF, J-PARC. To interpret the total dynamic structure factor obtained from coherent QENS, the mode distribution analysis was applied. It is found that the motion of iodine is a kind of fluctuating within an almost local area while Cu ions diffuse much faster than iodine ions.