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2次元波数空间でのアモルファス物质の刚性率の空间相関
赤色は刚性率の2点间の相関が正であることを、また、青色は负であることを示す。この结果、相関は距离の2乗に反比例して衰えることが明らかとなった。
© 2016 Hajime Tanaka.

東京大学生产技术研究所の田中肇教授らの国際共同研究グループは、結晶のように周期的な構造をもたないアモルファス物质では、その硬さのゆらぎが、遠く離れていても独立ではなく、互いに関係していることをシミュレーションにより明らかにしました。このような長距離相関の存在は、結晶にはないアモルファス固体に特有の特徴であると示唆されます。

アモルファス物质は、结晶构造を示す物质とは低温で大きく异なる热伝导特性、比热の振る舞い、音波の吸収特性などを示すことが知られています。その违いが何に起因するのかは长年の谜であり、物质の性质を明らかにしようとする凝缩系物理学の最も深远な未解决问题として认识されてきました。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协同的に振动しており、この振动はフォノンと呼ばれています。これまで、アモルファス物质では、物质内の构造の乱れ（散乱）により、硬さが场所ごとに异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响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远くまでは及ばないと长年考えられてきました。

国际共同研究グループは、従来の常识に反し、実は、アモルファス物质の硬さのゆらぎには长距离の相関が存在すること、また、これにより従来提案されてきた散乱机构に比べ、长い波长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见しました。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钓り合いの结果、远く离れた二点が実は独立ではなく互いに影响を及ぼしあっていることが、アモルファス物质と结晶の物性の差异を理解する上で重要であることを强く示唆しています。

「固体は、液体と异なり、结晶、アモルファス物质にかかわらず、各原子の位置は力の钓り合いのもとに决まっていて大きくは动かないと考えられます。构造に乱れがあると、この钓り合いのもとでは、固体内の内部応力や硬さが、たとえ远い距离でも独立にゆらぐことができなくなります」と田中教授は説明します。「このことは、一见当たり前のように思えますが、长年の间见落とされてきました。このことを认识することで、アモルファス物质の物性の理解が深まるものと期待しています」と続けます。

なお、本成果はフランスのナビエ研究所のグループと共同で得られたものです。

论文情报

S. Gelin, H. Tanaka, A. Lemaitre, "Anomalous phonon scattering and elastic correlations in amorphous solids", Nature Materials (2016) Online Edition: 2016/08/30 (Japan time), doi:10.1038/nmat4736.
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