High-temperature atomic diffusion and specific heat in quasicrystals

準結晶における高温原子拡散と比熱

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

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

準結晶とは、高次元超格子の3次元空間への射影として理解できる周期性のない物質である。高温における比熱の上昇は、準結晶の高次元性を反映した現象として二十年以上議論されてきた。しかし、準結晶やその近似結晶の比熱の理論計算はその原子構造の複雑さから困難であった。実験と理論の橋渡しを行うため、最先端の機械学習分子動力学法を用いて、比熱の理論計算を試みた。そして、Al-Pd-Ru準結晶とその近似結晶において、実験グループとの共同研究により、実験で異常高温比熱が現れること、理論で同様の現象が再現できること、の二つを確かめた。そして、異常高温比熱が現れる温度領域においては、アルミニウム原子が不連続に飛び移りながら拡散していくことがわかった。そして、その拡散の経路は6次元超原子の揺らぎとして理解することができることを明らかにした。

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.