○発表者
田中　肇（東京大学生産技術研究所　教授）

○発表のポイント
◆一般に、アモルファス物質（注1）における長波長領域の散乱はレーリー散乱によると信じられてきたが、この常識に反し、弾性率の長距離相関に起因した過剰なフォノン散乱が存在することが明らかとなった。
◆アモルファス物質におけるフォノン散乱（注2）は、その熱物性、機械物性にかかわる最も基本的な現象であるが、その散乱に、弾性率の長距離相関というこれまでまったく考えられてこなかった因子が存在することを発見した。
◆本研究成果は、あらゆる物質における結晶とアモルファス状態の低温における熱物性、機械物性の相違の起源という、凝縮系物理学、材料科学の長年の謎に新たな知見を提供するもので、この未解明問題の解決に貢献するものと期待される。

○発表概要
アモルファス物質は、結晶構造を示す物質とは低温で大きく異なる熱伝導特性、比熱の振る舞い、音波の吸収特性などを示すことが知られています。その違いが何に起因するのかは長年の謎であり、物質の性質を明らかにしようとする凝縮系物理学の最も深遠な未解決問題として認識されてきました。固体中では、原子は互いに実効的にばねでつながれているので、独立にゆらぐことはできず、安定な位置の周りで協同的に振動しており、この振動はフォノンと呼ばれています。これまで、アモルファス物質では、物質内の構造の乱れ（散乱）により、硬さが場所ごとに異なりそのためフォノンが乱されることが様々な物性に影響することが明らかになっていました。しかし、この硬さのゆらぎはあくまで局所的なものであると長年考えられてきました。
東京大学生産技術研究所の田中肇教授とフランスナビエ研究所の国際共同研究グループは、従来の常識に反し、実は、アモルファス物質の硬さのゆらぎには長距離の相関が存在すること（図１）、また、これにより従来提案されてきた散乱機構に比べ、長い波長のフォノンも大きく乱されることをシミュレーションにより発見しました。この成果は、固体が安定に存在するために満たさなくてはならない力の釣り合いの結果、遠く離れた二点が実は独立ではなく互いに影響を及ぼしあっていることが、アモルファス物質と結晶の物性の差異を理解する上で重要であることを強く示唆しています。

○発表内容
アモルファス物質は、同じ物質の結晶状態とは低温で大きく異なる熱物性・力学物性を示すことが知られているが、その違いが何に起因するのかに関しては長年の謎であり、凝縮系物理学の最も深遠な未解決問題として認識されてきた。このことは特別な物質に限られたものではなく、酸化物、金属、カルコゲナイド、有機物質、高分子など、ありとあらゆる物質の結晶状態とアモルファス物質に普遍的に見られることが広く知られており、何がその原因なのかについて、物理学、材料科学の分野で、これまで膨大な研究がなされてきた。アモルファス物質は、原子や分子がランダムに配置した状態にあり、結晶はそれが規則的な状態に配置した状態にあることは明らかであり、この構造の乱れが物性にどのような影響を与えるかという観点から、おもに研究がなされてきた。その結果、アモルファス物質には構造の乱れに起因した弾性率の不均一が存在し、それによりフォノンが散乱されることがさまざまな物性に影響することが明らかになっていた。この散乱は、空が青く見える起源として広く知られているレーリー散乱と同様に、短距離相関をもつ弾性不均一による散乱であり、波長が短くなるにつれて、３次元系では波長の四乗に逆比例してフォノンの減衰が急激に増大すると長年考えられてきた。本研究グループは、フランスのナビエ研究所のグループと共同で、従来の常識に反し、実は、アモルファス物質の弾性率には長距離相関が存在することを明らかにした（図１）。アモルファス固体においては、力学的なバランスが原子レベルならびに巨視的スケールでも成り立っており、この制約により、固体中の硬さの間には長距離の相関が生まれることを発見した。つまり、アモルファス固体中の2点は、遠く離れていても力学的には独立ではなく、互いに相関を持っているということが明らかとなった。また、この弾性率の相関は、距離の次元乗の逆数に比例して減衰することが明らかとなった。この弾性率の長距離相関によりフォノンが散乱されるため、長い波長において、上記のレーリー散乱機構に比べ過剰な散乱が生まれるわけである。ここで、レーリー散乱は、不純物散乱のように短距離相関による散乱しか考えていないことを注意しておく。また、この過剰な散乱は、レーリー散乱に対する対数補正により記述されることも明らかとなった。この成果は、構造乱れと力学的なバランスの結果生み出される長距離の弾性相関の存在が、アモルファス物質と結晶の物性の差異を理解する上で重要であることを強く示唆している。これまで、アモルファス物質と結晶の間には、低温において熱伝導特性や比熱に代表される熱物性、力学物性に大きな相違があることが知られてきたが、長年にわたる膨大な研究にもかかわらず、その物理的起源についてはいまだに未解明のままであり、凝縮系物理学における最も深遠な難問の一つとして認識されている。本研究は、このようなアモルファス物質と結晶の差異が、構造の乱れだけでなく、力学的なバランスの条件の下で生み出される長距離の弾性相関から生まれることを示唆している。この結果は、構造的な視点に加え、力学的な視点の重要性を示唆しており、この新たな視点は、今後の両者の物性の差異の解明に大きく貢献するものと期待される。

○発表雑誌
雑誌名：Nature Materials
論文タイトル：Anomalous phonon scattering and elastic correlations in amorphous solids
著者： Simon Gelin, Hajime Tanaka and Anael Lemaitre
DOI番号：10.1038/NMAT4736
アブストラクトURL：http://dx.doi.org/10.1038/nmat4736

○問い合わせ先
東京大学生産技術研究所
教授　田中　肇
Tel：03-5452-6125
研究室URL：http://tanakalab.iis.u-tokyo.ac.jp/

用語解説

（注1） アモルファス物質結晶のような規則的な周期構造をもたない、構造の乱れた等方的な固体を、アモルファス物質と呼ぶ。

（注2） フォノン散乱
屈折率の揺らぎにより光が散乱されるように、構造の乱れなどに起因した弾性率の不均一などにより、フォノン（音波）が散乱されることをフォノン散乱と呼ぶ。

資料

　

図1. 弾性率の波数空間での相関。赤は正、青は負の相関を示す。