【研究領域課題番号】19H02003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レオロジー / 高温高圧 / 変形実験 / D''層 / ポストペロブスカイト / ペリクレース / 下部マントル / 結晶方位選択配向 / 回転式ダイヤモンドアンビルセル / 最下部マントル / 超高圧 / 高圧 / フェロペリクレース

【研究成果の概要】

地球マントルの最下部に位置するD''層の変形特性を解明するため、開発した変形装置「回転式ダイヤモンドアンビルセル」とD''層を構成する鉱物（ポストペロブスカイト、ペリクレース)を用いた超高圧大ひずみ変形実験に挑戦した。D''層の圧力条件(120 GPa)でペリクレースの変形実験を行うと、変形とともに結晶の方位が特定の方向に揃っていくことが確認された（結晶方位選択配向）。この結果から、観測で確認されているD''層の地震波異方性にペリクレースの変形が大きく寄与している可能性が示された。一方ポストペロブスカイトの結果は、回転式ダイヤモンドアンビルセル中での合成の成功に留まった。

【研究の社会的意義】

地震波観測から最下部マントル(D''層)では、地震波の異方性(地震波の伝わる方向、振動方向によって速度が異なる現象）が認められている。この一因として、D''層を構成するとされるポストペロブスカイトやペリクレースの変形による結晶方位が揃うこと(結晶方位選択配向)が考えられてきた。その中で、我々はペリクレースを実際のD''層の超高圧条件(120 GPa)で変形実験をすることで、変形によって発達する結晶方位選択配向を明らかにし、ペリクレースはD''層を占める体積が比較的小さいにも関わらず、観測される地震波異方性に大きく寄与していることを示すことができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究領域課題番号】19H01995 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

比熱測定 / マントル / 高温 / 高圧 / 体積熱容量 / 熱伝導率 / コア / 比熱容量 / 超高圧 / 超高温 / 地球深部

【研究成果の概要】

地球核およびマントル物質の体積熱容量を温度軸と圧力軸の両面から依存性を明らかにすることを目的に、高温・高圧条件における体積熱容量の計測技術の開発と、地球深部物質の熱物性計測を進めた。高温加熱用レーザの1台の修理が完了し、従来よりもさらに高温環境の実現が可能となった。マントル鉱物の熱伝導率の評価として、MgOペリクレース相の評価を行い、12 GPaにおいて最高3169 Kにおける計測に成功した。また最高圧力140 GPaにおいては約2000 Kでの熱伝導率を計測した。この結果からMgOペリクレースの熱伝導率の密度および温度微分係数を決定しそれぞれ4.4および-0.62の結果を得た。また高温高圧熱伝導率計測において、レーザ吸収体や圧力計測用に用いられるPtの高温高圧熱伝導率についても評価を行い、κ(W/m/K)= 0.953P/GPa+0.0137T/K+61.8　<～1850 K, 125 GPa>の関係式を得た。通常の固体物質は温度増加によりフォノン散乱が増加することから熱伝導率は負の温度依存性を持つが、Ptの熱伝導率は、常温で正の温度依存性を有することが知られている。今回の結果により、高圧ではこの正の温度依存性がより顕著になることが初めて明らかとなった。またピコ秒レーザ弾性波測定による水素化鉄の100 GPaまでの音速計測結果から地球内核条件（360 GPa、5500 K）における弾性波の予想値を算出できた。体積熱容量計測についても開発を進め、基礎的な測定条件におけるデータ解析を進めた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】25246037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地球核 / 軽元素 / 水素 / 中性子回折実験 / 超高圧 / 鉄水素化物 / 高圧 / 中性子 / 鉄 / コア / 水素化 / 高温高圧 / 地球の核 / 地球コア

【研究成果の概要】

地球核に溶け込んでいる軽元素の有力候補のひとつとして挙げられている水素が、地球生成初期にどのようにして鉄に溶けたかを明らかにするために、鉄と含水鉱物の混合系を試料とした初めての高温高圧下中性子回折実験を、茨城県のJ-PARCで行った。その結果、地球生成初期に始源物質として水を含む隕石や隕鉄が集積すると、温度上昇に伴ってまず水素を溶かし込んだ溶融鉄が生成し、他の軽元素はその後に溶けた水素化鉄とケイ酸塩が反応して溶け込んだ可能性が高いことが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】19674003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル / 核 / ポストペロフスカイト / 超高圧 / 下部マントル / 鉄 / 高圧

【研究成果の概要】

地球中心に相当する超高圧・超高温を静的に発生することに世界で初めて成功した。また、高圧高温下において電気伝導度・熱伝導率・元素分配を測定する新たな技術の開発に成功した。これらの実験技術を用いて、下部マントル深部の電気伝導度・熱伝導率・鉄の分配、コアの高圧高温下における鉄と酸化第一鉄の状態図などを決定し、下部マントル深部におけるマグマと固相の密度逆転、数十年周期で観察される一日の長さの変化の成因、外核中の成層構造、内核物質の結晶構造などを明らかにした。

【研究種目】若手研究(S)

【研究期間】2007 - 2011

【配分額】114,530千円 (直接経費: 88,100千円、間接経費: 26,430千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】12440102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強磁場 / 超高圧 / 極低温 / 磁化測定 / ロングパルス / ザイロン / 70テスラ / 高圧 / 磁化 / パルスマグネット / パルス強磁場 / 希釈冷凍機

【研究成果の概要】

(1)これまで発生された非破壊パルス磁場の記録は80.3T、そのパルス幅は約8ミリ秒であった。マグネットの多層化を進め、内部補強を行い、最高磁場を80.8Tまで伸ばした。パルス幅も約25ミリ秒と大幅に長くなり、金属の単結晶試料を用いた測定が容易になった。また、実際の測定を通じて本マグネットの寿命と信頼性を調べ、67.5テスラの磁場発生を40回以上行うことが出来た。
(2)マグネットの外部補強に関して、外径の最小化を行った。パルス幅が7ミリ秒程度のショートパルスマグネットでのこれまでの補強は、内径が60mmφで外径が150mmφであった。外径を70mmφまで小さくすると、約50T発生時に補強材が破壊されたが、90mmφであれば70T発生に耐えることが分かった。このため、現在は外径を100mmにして使用している。これの利点は、冷却にすぐれていることである。60Tの磁場発生を15分間隔で行える事が分かった。
(3)本補助金で購入した希釈冷凍器用クライオスタットの内部に改良型の磁化測定用ピックアップコイルを取りつけた。上下方式の従来型では、磁場の不均一がデータに現れ、ダイナミックレンジを上げることが不可能であった。同軸型の使用により測定精度が飛躍的に向上した。
(4)ザイロンによる補強を高圧発生装置に応用することで、高圧下パルス強磁場磁化測定の高感度化に道が開けた。これまでの高圧発生用ピストンシリンダーセルはCu-Be製であり、内径2mmφで外径6mmφであった。この外径を3mmφまで削り、代わりにザイロンを巻き付けたところ元と同じ圧力を発生できた。これらの技術を確立して、より精密な物性測定を行う予定である。
(5)パルス強磁場と希釈冷凍機を組み合わせた磁化測定により様々な成果が得られた。具体的には、ハルデン物質NDMAZの磁場中磁気秩序状態における磁化過程を測定して磁気相図の作成を行った。また、スピンギャップ系物質SrCu_2(BO_3)_2の磁化プラトーを極低温で観測して、1/8、1/4、1/3プラトーの存在を明確に示した。強相関伝導系物質Ybモノプニクタイドでは、磁化過程に異常が観測された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2003

【配分額】14,200千円 (直接経費: 14,200千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】04640352 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

相転移 / 放射光 / 化合物半導体 / 超高圧 / アモルファス化 / 高圧 / 低温 / X線回折 / 半導体 / 準安定相

【研究成果の概要】

放射光を用いて、低温高圧下でのX線回折実験を行い、圧力および温度を変化させたときの相転移について調べた。低圧結晶相から高圧結晶相への転移およびその逆の転移の他に、高圧結晶相からアモルファス相への転移が起こることを見出した。また、これらの転移の温度-圧力平面での経路依存性を調べた。
GaSbの高圧相は90Kの低温で減圧すると、低圧までクエンチされる。この高圧相は1GPa以下で昇温したときアモルファス相に転移し、1GPaより高圧で昇温すると常圧相のZnS型結晶相に転移する。また、高圧相を温度一定で減圧すると、270K以下ではアモルファス化し、それ以上の温度では常圧結晶相に転移する。
AlSbでは、同様なアモルファス化が2.5GPaおよび260K以下で観測され、この温度-圧力域以外では、常圧相への転移が観測される。InAs、およびCdTeでは、高圧相から常圧相への転移のみが観測される。
これらの結果を配位座標モデルを用いて解析し、相転移の温度変化から相転移の際に越えるポテンシャル障壁の高さを見積り、その圧力依存性を決定した。GaSbとAlSbでは、高圧相からアモルファス相へのポテンシャル障壁の高さの圧力微係数が常圧相へのものよりも大きいことが分かった。また、ある圧力でアモルファス相と常圧相へのポテンシャル障壁の高さの逆転が起こることを見出し、これによって転移の経路による違いを説明できた。
また、これらの結果を、これまで知られているSiおよびGeの結果とあわせて考察することにより、結合のイオン度が大きくなれば、常圧相へのポテンシャル障壁が低くなり、アモルファス化が起きにくくなることを明らかにした。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】500千円 (直接経費: 500千円)