Structure and properties of ferroelectric ice

強誘電性氷の構造と性質

深澤 裕; 荒川 雅*; 鍵 裕之; 山内 宏樹   ; Chakoumakos, B. C.*; Fernandez-Baca, J. A.*

Fukazawa, Hiroshi; Arakawa, Masashi*; Kagi, Hiroyuki; Yamauchi, Hiroki; Chakoumakos, B. C.*; Fernandez-Baca, J. A.*

宇宙に存在する氷が強誘電体として存在するか否かは、その強い電気的な引力が宇宙での物質進化や水素結合にとって重要な要素であることから、大きな関心が寄せられている。われわれは、中性子回折と中性子散乱の実験から、カリウム,ナトリウム,リチウムといった不純物を混入させて秩序化の触媒として機能させた試料を育成し、その構造と物性を研究した。時間分割の回折実験は、水素秩序配置を有する強誘電性の氷XIが核生成し、約5日間、時間の経過に伴って成長することを示した。不純物を含有させた氷のうち、一度XIに変化した経験のある試料がそうではない試料に比べてより強い強誘電性を有することを見いだした。高圧下で強誘電性氷が存在することや、加圧下のアモルファス氷から強誘電性氷が発生することも示した。

Whether or not ice in the universe exists as ferroelectric is a question that has attracted interest in astrophysics and physical chemistry, because long-range electrostatic forces, caused by the ferroelectricity, might be an important factor for materials evolution and hydrogen bonding. From neutron diffraction and scattering measurements, we have studied ice with impurities, such as potassium, sodium and lithium, that acted as a catalyst. Time-resolved diffraction experiments show that ferroelectric ice XI with hydrogen-ordered arrangement nucleates and grows with time for about 5 days. We found that the doped ice that has once been converted to ice XI is a stronger ferroelectric ice than that has never been converted. We also show the existence of the ferroelectric ice under high-pressure and its formation from compressed amorphous ice.