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論文

Crystal-liquid duality driven ultralow two-channel thermal conductivity in -MgAgSb

Li, J.*; Li, X.*; Zhang, Y.*; Zhu, J.*; Zhao, E.*; 古府麻衣子; 中島健次; Avdeev, M.*; Liu, P.-F.*; Sui, J.*; et al.

Applied Physics Reviews (Internet), 11(1), p.011406_1 - 011406_8, 2024/03

https://doi.org/10.1063/5.0173680

被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Physics, Applied)

The desire for intrinsically low lattice thermal conductivity () in thermoelectrics motivates numerous efforts on understanding the microscopic mechanisms of heat transport in solids. Here, based on theoretical calculations, we demonstrate that -MgAgSb hosts low-energy localized phonon bands and avoided crossing of the rattler modes, which coincides with the inelastic neutron scattering result. Using the two-channel lattice dynamical approach, we find, besides the conventional contribution (70% at 300 K) from particlelike phonons propagating, the coherence contribution dominated by the wavelike tunneling of phonons accounts for 30% of total at 300 K. By considering dual contributions, our calculated room-temperature of 0.64 Wm $^{-1}$ K $^{-1}$ well agrees with the experimental value of 0.63 Wm $^{-1}$ K $^{-1}$ . More importantly, our computations give a nonstandard $kappa_L propto T^{-0.61}$ dependence, perfectly explaining the abnormal temperature-trend of $sim T^{-0.57}$ in experiment for -MgAgSb. By molecular dynamics simulation, we reveal that the structure simultaneously has soft crystalline sublattices with the metavalent bonding and fluctuating liquid-like sublattices with thermally induced large amplitude vibrations. These diverse forms of chemical bonding arouse mixed part-crystal part-liquid state, scatter strongly heat-carrying phonons, and finally produce extremely low . The fundamental research from this study will accelerate the design of ultralow- materials for energy-conversion applications.

論文

Remnants of the nonrelativistic Casimir effect on the lattice

中山勝政*; 鈴木渓

Physical Review Research (Internet), 5(2), p.L022054_1 - L022054_6, 2023/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.L022054

カシミール効果は、何らかの量子場から生じるゼロ点エネルギーが空間的な境界条件の存在によって変化することを起源とする量子現象であり、一粒子エネルギーが運動量について線形に増加するような「相対論的な」量子場(電磁場など)に関しては過去の理論的・実験的な研究によって一定の理解が得られている。一方で、分散関係が二次となる「非相対論的な」量子場も世の中には数多く存在するが、そのような系にもカシミール効果が存在するのか否かはそれほど自明でない。本論文では、様々な分散関係を持つ格子上の量子場のカシミール効果が存在(または消失)する条件について、理論的な考察を行った。特に、偶数次の分散関係を持つような量子場を調べたところ、二つの境界間の距離が長距離のときカシミール効果が消失するが、短距離のときにのみ特異的な「名残」が残る例(remnant Casimir effect)を発見した。このような現象の発見は、有限サイズの格子構造からなる量子系(例えば、3次元物質の薄膜、2次元物質のナノリボンやナノチューブ、1次元物質のナノワイヤなど)の物理量の理解や解釈に役立つことが期待される。また、一般に、質量(ギャップ)を持つ量子場では、質量の無い(ギャップレスな)量子場と比べてカシミール効果が弱くなることが知られているが、この性質について今回の発見を応用した再解釈を与える。

論文

Anisotropic magnon damping by zero-temperature quantum fluctuations in ferromagnetic CrGeTe $_{3}$

Chen, L.*; Mao, C.*; Chung, J.-H.*; Stone, M. B.*; Kolesnikov, A. I.*; Wang, X.*; 村井直樹; Gao, B.*; Delaire, O.*; Dai, P.*

Nature Communications (Internet), 13, p.4037_1 - 4037_7, 2022/07

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31612-w

被引用回数：8 パーセンタイル：53.42(Multidisciplinary Sciences)

Spin and lattice are two fundamental degrees of freedom in a solid, and their fluctuations about the equilibrium values in a magnetic ordered crystalline lattice form quasiparticles termed magnons (spin waves) and phonons (lattice waves), respectively. In most materials with strong spin-lattice coupling (SLC), the interaction of spin and lattice induces energy gaps in the spin wave dispersion at the nominal intersections of magnon and phonon modes. Here we use neutron scattering to show that in the two-dimensional (2D) van der Waals honeycomb lattice ferromagnetic CrGeTe $_{3}$ , spin waves propagating within the 2D plane exhibit an anomalous dispersion, damping, and breakdown of quasiparticle conservation, while magnons along the c axis behave as expected for a local moment ferromagnet. These results indicate the presence of dynamical SLC arising from the zero-temperature quantum fluctuations in CrGeTe $_{3}$ , suggesting that the observed in-plane spin waves are mixed spin and lattice quasiparticles fundamentally different from pure magnons and phonons.

論文

Enhanced covalency and nanostructured-phonon scattering lead to high thermoelectric performance in -type PbS

Rathore, E.*; Juneja, R.*; Sarkar, D.*; Roychowdhury, S.*; 古府麻衣子; 中島健次; Singh, A. K.*; Biswas, K.*

Materials Today Energy (Internet), 24, p.100953_1 - 100953_9, 2022/03

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.100953

被引用回数：14 パーセンタイル：85.62(Chemistry, Physical)

We demonstrate a high thermoelectric figure of merit (zT) of 1.45 at 900 K for Ge doped (4-10 mol%) -type PbS, which is the one of the highest values among all -type PbS-based thermoelectric materials. This high performance is achieved by simultaneous (a) enhancement of covalency in chemical bonding which increases the electrical conductivity, and (b) reduction of lattice thermal conductivity to an ultra-low value of 0.56 W m $^{-1}$ K $^{-1}$ at 900 K by the introduction of nanometer-sized (5-10 nm) precipitates of Pb $_{2}$ GeS $_{4}$ in PbS matrix which strongly scatter the heat-carrying phonons. The presence of low-lying transverse acoustic (TA) and longitudinal acoustic (LA) phonon modes at 48.24 cm $^{-1}$ and 91.83 cm $^{-1}$ , respectively are experimentally revealed from inelastic neutron scattering (INS) experiments. The softening of low-frequency modes at a higher temperature and ultra-short phonon lifetime (1-4.5 ps) further explain the ultra-low thermal conductivity.

論文

Strong lattice anharmonicity exhibited by the high-energy optical phonons in thermoelectric material

Wu, P.*; Fan, F.-R.*; 萩原雅人*; 古府麻衣子; Peng, K.*; 石川喜久*; Lee, S.*; 本田孝志*; 米村雅雄*; 池田一貴*; et al.

New Journal of Physics (Internet), 22(8), p.083083_1 - 083083_9, 2020/08

https://doi.org/10.1088/1367-2630/aba98f

被引用回数：8 パーセンタイル：58.58(Physics, Multidisciplinary)

熱電材料SnSeは、過去数年間で世界的な関心を呼び、その固有の強い格子非調和性は、その優れた熱電性能の重要な要素と見なされている。一方、SnSeにおける格子非調和性の理解は、特にフォノンダイナミクスがこの動作によってどのように影響を受けるかに関して、依然として不十分である。そのため、中性子全散乱,非弾性中性子散乱,ラマン分光法、および凍結フォノン計算により、Na $_{0.003}$ Sn $_{0.997}$ Se $_{0.9}$ S $_{0.1}$ の格子力学の包括的な研究を行った。格子非調和性は、対分布関数,非弾性中性子散乱、およびラマン測定によって確かめられた。熱膨張と多重フォノン散乱の影響を分離することにより、後者は高エネルギー光学フォノンモードで非常に重要であることがわかった。フォノンモードの強い温度依存性は、この系の非調和性を示している。さらに、我々のデータは、Sドーピングにより、高エネルギー光学フォノンの線幅が広がることを明らかにした。私たちの研究は、SnSeの熱電性能は、フォノンエンジニアリングを介して格子熱伝導率への高エネルギー光学フォノンモードの寄与を減らすことによってさらに強化できることを示唆する。

論文

Nature of structural instabilities in superconducting SrIrSn $_{13}$

金子耕士; Cheung, Y. W.*; Hu, Y.*; 今井正樹*; 谷奥泰明*; 金川響*; 村川譲一*; 森山広大*; Zhang, W.*; Lai, K. T.*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 30, p.011032_1 - 011032_6, 2020/03

https://doi.org/10.7566/JPSCP.30.011032

A quantum critical point appears as a second-order phase transition which takes place at zero temperature. In contrast to heavy-fermion systems in which magnetism often plays a vital role, recent studies revealed that structural instabilities can drive a system to a quantum critical point as well. In quasi-skutterudite (Ca,Sr)Sn $_{13}$ (=Rh, Ir), SrIrSn $_{13}$ exhibits superconductivity around $T_{rm sc}$ 5 K and a structural transition at $T^*{simeq}$ 147 K. Applying physical or chemical pressure on SrIrSn $_{13}$ suppresses rapidly, and a quasi-linear dependence of electrical resistivity, signature of non-Fermi liquid behavior, was observed where extrapolates to 0 K. The isomorphs (CaSr $_{1-x}$ )RhSn $_{13}$ exhibits similar behavior, where the criticality can be reached by 0.9 without external pressure. Neutron scattering experiments in SrIrSn $_{13}$ evidences the second order nature of the structural transition at by the observation of a continuous evolution of superlattice peak below and a gradual increase of critical scattering upon approaching to by cooling. Increase of in (CaSr $_{1-x}$ )RhSn $_{13}$ toward the quantum critical point leads to the systematic variation of the critical exponents of the order parameter. In addition, this substitution induces the phonon softening around the M point towards zero energy revealed by inelastic X-ray scattering experiment. We will present systematic variations in both elastic and inelastic channels upon approaching to the quantum critical point.

論文

Lattice dynamics in FeSe via inelastic X-ray scattering and first-principles calculations

村井直樹; 福田竜生; 中島正道*; 河村光晶*; 石川大介*; 田島節子*; Baron, A. Q. R.*

Physical Review B, 101(3), p.035126_1 - 035126_6, 2020/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.035126

被引用回数：5 パーセンタイル：33.01(Materials Science, Multidisciplinary)

非弾性X線散乱を用いたFeSe超伝導体のフォノン研究について報告する。実験的に決定したフォノン分散と非磁性相の密度汎関数理論(DFT)とを比較を行うと、両所の間には顕著な不一致が見られた。FeSeは磁気秩序を示さないにもかかわらず、スピン偏極DFTを用いることによって初めて実験結果は再現される。この解析は、強いスピン揺らぎを内在した常時性状態における近似を与える。

論文

Evidence of a structural quantum critical point in (CaSr $_{1-x}$ )RhSn $_{13}$ from a lattice dynamics study

Cheung, Y. W.*; Hu, Y. J.*; 今井正樹*; 谷奥泰明*; 金川響*; 村川譲一*; 森山広大*; Zhang, W.*; Lai, K. T.*; 吉村一良*; et al.

Physical Review B, 98(16), p.161103_1 - 161103_5, 2018/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.161103

被引用回数：19 パーセンタイル：67.24(Materials Science, Multidisciplinary)

Approaching a quantum critical point has been an effective route to stabilize superconductivity. While the role of magnetic QCPs has been extensively discussed, similar exploration of a structural QCP is scarce. Using inelastic X-ray scattering, we examine the phonon spectrum of the nonmagnetic quasi-skutterudite (CaSr $_{1-x}$ )RhSn $_{13}$ , which represents a precious system to explore the interplay between structural instabilities and superconductivity by tuning the Ca concentration x. We unambiguously detect the softening of phonon modes around the M point on cooling towards the structural transition. Intriguingly, at x = 0:85, the soft mode energy squared at the M point extrapolates to zero at -5.7 K, providing the first compelling microscopic evidence of a structural QCP in (CaSr $_{1-x}$ )RhSn $_{13}$ . The enhanced phonon density-of-states at low energy provides the essential ingredient for realizing strong-coupling superconductivity near the structural QCP.

論文

Effect of rattling motion without cage structure on lattice thermal conductivity in LaOBiS $_{2-x}$ Se

Lee, C. H.*; 西田篤弘*; 長谷川巧*; 西当弘隆*; 國岡春乃*; 河村聖子; 中村充孝; 中島健次; 水口佳一*

Applied Physics Letters, 112(2), p.023903_1 - 023903_4, 2018/01

https://doi.org/10.1063/1.5010373

被引用回数：28 パーセンタイル：77.9(Physics, Applied)

LaOBiS $_{2-x}$ Seの低エネルギーフォノンを中性子非弾性散乱によって調べた。主にBi原子の振動に関連すると思われる分散のないフラットなフォノンが、比較的低いエネルギーmeVに観測された。このフォノンは、S原子よりも原子質量の大きいSeをドープし格子が膨張することによってソフト化する。同時に、Seドープにより格子熱伝導率が減少する。これらの結果は、LaOBiS $_{2-x}$ Seが籠状構造を持たないにもかかわらず、Bi原子のラットリングが籠状化合物のラットリングのようにフォノンを散乱しうるということを示唆しており、それが熱電特性を向上させるのに寄与していると考えられる。

論文

Cross sections, stopping powers, and energy loss rates for rotational and phonon excitation processes in liquid water by electron impact

甲斐健師; 横谷明徳; 鵜飼正敏*; 渡辺立子

Radiation Physics and Chemistry, 108, p.13 - 17, 2015/03

https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2014.11.008

被引用回数：25 パーセンタイル：89.99(Chemistry, Physical)

放射線によるDNA損傷において、電子衝突電離により発生した2次電子は難修復性DNA損傷の生成に深く関与すると考えられているが、2次電子の放射線作用は未だ十分には解明されていない。その原因の一つとして、電子の熱化過程で主に寄与する液体水の回転・フォノン励起過程の断面積の不備が挙げられる。本研究において、それらの断面積、阻止能及びエネルギー損失率の理論計算を行った結果、液相の回転励起断面積は気相の断面積に比べ3桁以上減少し、フォノン励起断面積は固相の断面積に近い値を示すことが分かった。今日まで1eV以下のエネルギー損失率は電子のエネルギーに強く依存しないと仮定し、電子の熱化過程は評価されてきた。しかしながら、本計算結果から、エネルギー損失率は1eV以下のエネルギーに対して強く依存することが分かった。その結果、電子の熱化時間は従来予測よりも長くなり、後続の水和過程及び化学過程に強く関与する可能性が予測された。本研究成果である回転・フォノン励起断面積は、熱化過程を研究する上で不可欠なデータであり、DNA損傷に対する2次電子の役割を解明するための研究に利用されることが期待される。

論文

Phonons in UCoGa $_{5}$

目時直人; 金子耕士; Raymond, S.*; Sanchez, J. P.*; Piekarz, P.*; Parlinski, K.*; Ole, A. M.*; 池田修悟; 松田達磨; 芳賀芳範; et al.

Physica B; Condensed Matter, 378-380, p.1003 - 1004, 2006/05

https://doi.org/10.1016/j.physb.2006.01.543

被引用回数：12 パーセンタイル：49.71(Physics, Condensed Matter)

UCoGa $_{5}$ の中性子散乱を用いた低エネルギー音響格子振動の研究結果と、第一原理の計算結果との比較について報告する。UCoGa $_{5}$ については、多くの対称な軸上で明瞭な音響フォノンと一部の光学フォノンが観察された。第一原理計算との一致はだいたい良好であるが、M点におけるフォノン分散のソフトニングが室温では観察されなかった。低温の結果も含めて報告する。

論文

Vibronic mechanism of high- superconductivity

立木昌*; 町田昌彦; 江上毅*

Physical Review B, 67(17), p.174506_1 - 174506_12, 2003/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.174506

被引用回数：47 パーセンタイル：85.25(Materials Science, Multidisciplinary)

高温超伝導体に対して最近中性子非弾性散乱やSpring8等で実験が行われ、フォノン分散の異常(ソフトニング)が発見されている。また、光電子分光の実験でも電子構造に平坦なバンド構造が見られ、極めて異常な様相が明らかになってきた。本研究では、これらの実験結果をもとに、電荷揺らぎが低エネルギー(60meV程度まで)領域にまでソフト化し、電荷のオーバースクリーニングが起こるという条件を仮定することで、フォノンが非常に強く電子系と結合し、高温超伝導を引起こす強い電子間引力を与えることを発見した。また、その機構のもと、エリアシュベルク方程式を数値的に解き、超伝導ギャップ波動関数を求めた。結果は高温超伝導の特質を再現したため、上記機構が高温超伝導の本質であると結論づけた。

論文

X線非弾性散乱によるフォノン測定

福田竜生

波紋, 13(1), p.43 - 46, 2003/01

http://doi.org/10.5611/hamon.13.43

近年、シンクロトロン放射光X線の発生・測定技術の向上により、従来中性子非弾性散乱(INS)実験でしか出来ないと思われていたフォノン測定等の実験が、X線非弾性散乱(IXS)実験でも可能となってきている。現在、高エネルギー分解能非弾性散乱実験装置の一つであるSPring-8 BL35XUでLa $_{2-x}$ SrCuOのフォノン測定を進めており、IXSやこの装置の紹介とともに以前行なっていたINS実験との比較を通してのIXS実験の特徴を述べる。

論文

Inelastic nuclear resonant scattering of FeCl $_{3}$ -graphite intercalation compounds

北尾真司*; 三井隆也; 原見太幹; 依田芳卓*; 瀬戸誠*

Japanese Journal of Applied Physics, 38(SUPPL.38-1), p.535 - 537, 1999/00

https://doi.org/10.1143/JJAP.38.535

被引用回数：0 パーセンタイル：0(Physics, Applied)

グラファイト層間化合物は典型的な層状物質で、種々の物質を挿入した化合物が知られている。FeCl $_{3}$ は層間に挿入できる物質の一つで層間でどのような物性を示すか興味が持たれている。挿入されたFeCl $_{3}$ の研究として振動状態を測定することは重要であり、層間で振動状態が非等方的になっていることが予想されるが、挿入された物質に着目した振動状態の研究はいまだ少ない。非弾性核共鳴散乱は近年開発された方法で、元素を特定した振動状態の研究に有用である。われわれはステージ1のFeCl $_{3}$ グラファイト層間化合物を合成し、SPring-8のBL09ビームラインで6MeVに分光した $^{57}$ Fe核共鳴X線を用いて振動状態の角度依存性を測定した。その結果、X線をグラファイト層に垂直に入射した場合と平行に入射した場合でスペクトルに違いが見られ、グラファイトに平行な方向には層間のFe原子が振動しやすいという描像と一致する結果が得られた。

論文

New aspects of the b $^{ast}$ LA phonon of CuGeO $_{3}$

西正和*; 加倉井和久*; 藤井保彦*; 片野進; 秋光純*; M.Yethiraj*; Fernandez-Baca, J. A.*

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 60(8-9), p.1109 - 1111, 1999/00

https://doi.org/10.1016/S0022-3697(99)00062-1

被引用回数：5 パーセンタイル：33.75(Chemistry, Multidisciplinary)

CuGeO $_{3}$ のスピン-パイエルス転移に伴うフォノンのソフト化はこれまでも観測されていないが、b $^{ast}$ -LA分枝のフォノンに異常があることが知られている。今回行った中性子非弾性散乱実験によれば、これまで観測されてきたエネルギー幅の広いピーグが、エネルギーが非常に接近した二つの分枝で構成されていることが明らかになった。このような分枝は、現在考えられている結晶構造では説明できない。このため一次元手風琴模型というモデルで解析を遂行中である。

論文

[110]TA $_{1}$ phonon dispersion relation of the $_{1}$ -phases in Ni-Co-Al alloys

山田美代子*; 永澤聡*; 上野由里子*; 森井幸生

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 60(8-9), p.1427 - 1429, 1999/00

https://doi.org/10.1016/S0022-3697(99)00138-9

被引用回数：0 パーセンタイル：0(Chemistry, Multidisciplinary)

$_{1}$ 相Ni-Al合金の[110]TA $_{1}$ フォノン分枝にあらわれる異常なくぼみと電子密度との関係を調べた。NiをCoで置換すると、くぼみの位置はブリリアンゾーン中心の方向へずれる。さらに、Ni $_{3}$ Alが析出する温度Tb以上で安定な $_{1}$ 相においてもくぼみが存在することも判明した。これらのことから、くぼみはマルテンサイト相転移の前駆現象ではなく、 $_{1}$ 相の電子状態を反映したものであると考えられる。

論文

X-ray detection characteristics of Nb-based superconducting tunnel junctions

片桐政樹; 岸本牧; 浮辺雅宏*; 中村龍也*; 倉門雅彦*; 前畑京介*; 石橋健二*; 中沢正治*

Japanese Journal of Applied Physics, 37(SUPPL.37-2), p.13 - 18, 1998/00

https://doi.org/10.1143/JJAP.37.L13

被引用回数：7 パーセンタイル：36.37(Physics, Applied)

Nb超伝導トンネル接合素子のエネルギー分解能の改善に不可欠な前置増幅器の最適化研究を行い、Nb系素子としてはベストデータの5.9keV・X線に対して66eVの分解能を得た。また、幅広いX線エネルギーに対して詳細な評価実験を行い、超伝導トンネル接合素子内での信号生成メカニズム及びフォノン生成メカニズムに関する研究を行った。さらに、直列接続型超伝導トンネル接合素子によるフォノンを介したX線検出実験を行い、またエネルギー分解能特性は良くないがX線検出方法として非常に優れていることを確認した。

論文

Soft modes and phonon interactions in Sn $_{2}$ P $_{2}$ Se $_{6}$ studied by means of neutron scattering

S.W.H.Eijt*; R.Currat*; J.E.Lorenzo*; P.Gregoire*; 片野進; T.Janssen*; B.Hennion*; Y.Vysochanskii*

Journal of Physics; Condensed Matter, 10(22), p.4811 - 4844, 1998/00

https://doi.org/10.1088/0953-8984/10/22/008

被引用回数：51 パーセンタイル：88.63(Physics, Condensed Matter)

強誘電体Sn $_{2}$ P $_{2}$ Se $_{6}$ の中性子非弾性散乱による格子振動の研究と、長周期不整合構造によるサテライト反射の中性子散乱実験を行った。この結果、音響フォノンと光学フォノンのエネルギー分散関係が得られ、不整合構造相に近づくにつれて、横波光学モードが強くソフト化する(エネルギーが急激に低下する)ことがわかった。得られたフォノンの振舞はこの物質が示す常誘電相-不整合相-強誘電相という相転移に対応している。

論文

Phonon measurement of RbCl at 4.9 kbar

石井慶信; 森章浩*; 小野寺昭史*; 川野真治*; 森井幸生

Physica B; Condensed Matter, 241-243, p.409 - 411, 1998/00

https://doi.org/10.1016/S0921-4526(97)00604-2

被引用回数：3 パーセンタイル：27.12(Physics, Condensed Matter)

RbClは約5Kbarの高圧でNaCl型結晶構造からCsCl型結晶構造へ転移する。この相転移のメカニズムを明らかにするため、転移圧力直下である4.9Kbarの高圧を加え、その時の格子振動を調べた。格子振動のエネルギーの圧力依存性は[川]方向に進む横波モードで著しく、ゾーン境界でフォノンエネルギーが低下した。この晶系での原子の非調和は[小]方向に強く作用することからこのエネルギー低下は原子振動の非調和によるものと考えた。

報告書

一方向炭素繊維強化複合材料の中性子照射による熱伝導率変化

斎藤保; K.Deng*; 中野純一; 山田禮司

JAERI-Research 97-001, 18 Pages, 1997/01

JAERI-Research-97-001.pdf:0.85MB

次世代の核融合炉の実現にとってプラズマ対向材料の開発が必要であり、C/C材が有力な候補材料となっている。ここでは、より高熱伝導性を持つ材料として、炭素繊維束を一方向に配列したC/C材料(MFC-1)について、中性子照射(1070K,0.7dpa)による熱伝導率の低下を測定した。その結果、熱伝導率は室温の値で照射前の20%に低下したが、測定時の温度依存性も大きく、900Kでは照射前の45%であった。フォノンの平均自由行程を、ウムクラップ過程、結晶粒界、照射欠陥の3要素に分けて計算し、照射による熱抵抗の増加及び焼鈍による回復結果について測定時の温度依存性も含めて論じた。