Anomaly of structural relaxation in complex liquid metal of bismuth; Dynamic correlation function of coherent quasi-elastic neutron scattering

複雑液体金属ビスマスの構造緩和における異常性; 構造可干渉性中性子準弾性散乱の動的相関関数

川北 至信  ; 菊地 龍弥*  ; 稲村 泰弘  ; 田原 周太*; 丸山 健二*; 花島 隆泰*; 中村 充孝   ; 鬼柳 亮嗣  ; 山内 康弘*; 千葉 薫*; 河村 聖子   ; 坂口 佳史*; 島倉 宏典*; 高橋 竜太*; 中島 健次  

Kawakita, Yukinobu; Kikuchi, Tatsuya*; Inamura, Yasuhiro; Tahara, Shuta*; Maruyama, Kenji*; Hanashima, Takayasu*; Nakamura, Mitsutaka; Kiyanagi, Ryoji; Yamauchi, Yasuhiro*; Chiba, Kaori*; Kawamura, Seiko; Sakaguchi, Yoshifumi*; Shimakura, Hironori*; Takahashi, Ryuta*; Nakajima, Kenji

単元素液体金属の中には、その静的構造が剛体球充填モデルでは全く表せない、複雑な構造を有する物質がある。液体ビスマスは、構造因子のメインピークの高波数側に非対称な肩構造を有する。二体分布関数の第一ピークと第二ピークの距離の比が1:2で、一次元的に配列しているような奇妙な値を示すとともに、第一ピークの長距離側に明確な肩構造を有する。二種類の直径の異なる剛体球からなるモデルでは、構造因子の肩構造が生じることから、こうした単元素液体金属の複雑性の起源として、短時間だけ生じる共有結合や、金属イオンを遮蔽する電子が有効二体間ポテンシャルに作り出す振動(フリーデル振動)など、まったく物理的描像が異なる仮説がいくつかなされている。そこで我々は液体ビスマスの中性子準弾性散乱を、J-PARCのMLFに設置された冷中性子ディスクチョッパー分光器を用いて測定し、液体ダイナミクスを動的相関関数から調べた。その結果、二体分布関数の第一ピークの肩構造の緩和時間が、第一ピークや第二ピークなどその他の主要構造に比べて著しく長いことが分かった。

There are elemental liquid metals with complex structures far from the hard sphere (HS) packing model. Liquid Bi has an asymmetric first peak in the structure factors S(Q). The pair distribution function g(r) exhibits strange distance ratio of 1:2 between the first and the second peaks. Since a HS model with two kinds of radius produces asymmetry of the main peak in S(Q), existence of short-lived covalent bonds was discussed. Contrarily, modulation of the atomic distribution by the Friedel oscillations of shielding electrons around metallic ions was discussed. To examine its bonding nature from viewpoints of dynamic correlation functions, we have measured neutron quasielastic scattering of liquid Bi by using cold disk chopper spectrometer installed at MLF of J-PARC. The van Hove function revealed that the shoulder structure located at a longer side of the first peak in g(r) exhibits a longer relaxation time than the main structures such as the first and second peaks.