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Neutron diffraction study of pressure-induced phase separation of LaD$$_{2}$$

中性子回折を用いたLaD$$_{2}$$の圧力誘起相分離の研究

青木 勝敏; 町田 晃彦; 本田 充紀  ; 服部 高典 ; 佐野 亜沙美  ; 綿貫 徹; 片山 芳則; 小松 一生*; 有馬 寛; 大友 季哉*; 坪田 雅己*; 市川 貴之*; 小島 由継*; 大下 英敏*; Kim, D. Y.*

Aoki, Katsutoshi; Machida, Akihiko; Honda, Mitsunori; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Watanuki, Tetsu; Katayama, Yoshinori; Komatsu, Kazuki*; Arima, Hiroshi; Otomo, Toshiya*; Tsubota, Masami*; Ichikawa, Takayuki*; Kojima, Yoshitsugu*; Oshita, Hidetoshi*; Kim, D. Y.*

LaD$$_{2}$$がLa金属格子中の重水素原子の再配置を伴って相分離することを中性子回折実験により見いだした。重水素原子はLaD$$_{2}$$ではfcc金属格子の四面体サイトを占めているが、11GPaの圧力下で八面体サイトに移動してLaDとLaD$$_{3}$$が形成される。NaCl-型一水素化物は遷移金属では観測されているが、希土類金属で形成が確認されたのは初めてである。第一原理計算はLaH$$_{2}$$がLaHとLaH$$_{3}$$に10GPaで相分離することが示された。実験と極めて良い一致である。生成エンタルピー計算からLaH$$_{3}$$の体積減少が相分離を駆動していることがわかった。また、格子振動計算から相分離の機構の詳細が明らかにされた。

Neutron diffraction measurements have revealed that LaD$$_{2}$$ undergoes phase separation at high pressure with the relocation of deuterium atoms in the interstitial sites of La metal lattice. Deuterium atoms, which occupy the tetrahedral sites of the fcc metal lattice in LaD$$_{2}$$, move into the empty octahedral sites at 11 GPa to form LaD and LaD$$_{3}$$ both having fcc metal lattices. Mono-hydride with an NaCl structure, which is common for mono-hydrides of transition metals, is formed in rare-earth metals for the first time. The first-principle calculations showed that LaH$$_{2}$$ is stable at low pressure and it undergoes a phase separation into LaH and LaH$$_{3}$$ at 10 GPa, which is excellent agreement with the experimental results. Enthalpy comparison shows that unusual volume contraction in LaH$$_{3}$$ than LaH$$_{2}$$ explains the phase separation phenomena. Lattice dynamics calculations on these lanthanum hydrides shed light on the detailed mechanism.

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