Direct observation of symmetrization of hydrogen bond in -AlOOH under mantle conditions using neutron diffraction

マントル条件下の含水鉱物-AlOOHにおける水素結合対称化の中性子回折を用いた直接観察

佐野 亜沙美   ; 服部 高典   ; 小松 一生*; 鍵 裕之*; 永井 隆哉*; Molaison, J. J.*; Dos Santos, A. M.*; Tulk, C. A.*

Sano, Asami; Hattori, Takanori; Komatsu, Kazuki*; Kagi, Hiroyuki*; Nagai, Takaya*; Molaison, J. J.*; Dos Santos, A. M.*; Tulk, C. A.*

含水鉱物の高圧相である-AlOOHについて、地球深部に相当する高圧環境下で水素結合に関連すると考えられる物性の変化が起きることが報告されていたが、その原因については議論があった。今回、J-PARC MLFのPLANETおよびSNSのSNAPにおける高圧下中性子実験により-AlOOHの水素位置の圧力変化を観測し、水素原子が二つの隣接する酸素原子間の中点に存在するようになる「水素結合の対称化」が、地下約520kmに相当する圧力18万気圧で起きることを初めて直接観察した。またそれより少し低い圧力下では、前駆現象として、水素が酸素間の中点をはさんだ二つの等価な位置をそれぞれ1/2の確率で占めるディスオーダー状態が起きること、また水素をその同位体である重水素に置き換えると変化の起きる圧力が高圧側に移動することも見出した。これらの現象が起きた圧力は、先行研究により見つかっていた、圧縮挙動の変化や弾性波速度の上昇といった物性変化が起きる圧力とほぼ一致しており、水素結合の対称化とその前駆現象が鉱物の性質に大きな影響を及ぼしていることが、今回初めて実験的に裏付けられた。

The pressure response of hydrogen bond in aluminous hydroxide -AlOOH, which is an important candidate for water carrier to the deep Earth in a subducting slab, was investigated using neutron diffraction under high pressure. The symmetrization of hydrogen bond in which hydrogen locates at the center between two oxygen atoms was observed directly for the first time. The present result indicates that the changes of mineral properties such as increase in bulk modulus and sound velocities, which were previously found, were induced by the symmetrization and disorder state that was also found at just below the symmetrization pressure. Even the symmetrization is a small change in the hydrogen location but it is playing an important role in determining the physical properties of minerals.