Atomic diffusion due to hyperatomic fluctuation for quasicrystals and their approximants

準結晶および近似結晶における高次元超原子由来の原子拡散

永井 佑紀   ; 岩崎 祐昂*; 高際 良樹*; 北原 功一*; 木村 薫*; 志賀 基之   

Nagai, Yuki; Iwasaki, Yutaka*; Takagiwa, Yoshiki*; Kitahara, Koichi*; Kimura, Kaoru*; Shiga, Motoyuki

準結晶とは、秩序だった結晶構造を持つにもかかわらず周期性のない物質である。これは単なる空想上の物質ではなく、1982年にDan Shechtman博士(2011年ノーベル化学賞)が発見し、結晶では決して生じない5回及び10回対称性を持つ電子線回折パターンを実験的に観測されている。また、準結晶の結晶構造は、高次元(5次元や6次元)空間における超格子の現実空間(3次元)への射影として理解することができる。本講演では、この高次元性が実際に現実世界の観測可能な物理量に反映されていることを示すため、実験と機械学習分子シミュレーションを用いて比熱を解析した結果について報告する。

A quasicrystal is an ordered but non-periodic structure understood as a projection from a higher dimensional periodic structure. An anomalous increase in heat capacity at high temperatures has been discussed for over two decades as a manifestation of a hidden high dimensionality of quasicrystals. A theoretical study of the heat capacity of realistic quasicrystals or their approximants has yet to be conducted because of the huge computational complexity. To bridge this gap between experiment and theory, we show experiments and cutting-edge machine-learning molecular simulations on the same material, an Al-Pd-Ru quasicrystal, and its approximants. We show that at high temperatures, aluminum atoms diffuse with discontinuous-like jumps, and the diffusion paths of the aluminum can be understood in terms of jumps corresponding to hyperatomic fluctuations in six-dimensional space.