周期表の金属元素の新しい同素体を理论予测　金属同士の相性に基づく合金构造探索に新たな道

2020.10.30

　计算物质科学¹⁾は、计算机を利用して新物质の存在を予言し、その物性を予测する学问です。岐阜大学工学部応用物理コースの小野颂太助教は、计算物质科学の手法に基づき、周期表の金属元素（リチウムから铅までとポロニウム）が「原子层」として安定に存在することを理论予测しました。また、安定な原子层金属を积层させることで安定な３次元结晶が形成されることを示し、この考えに基づき新しい合金の构造を予测する方法を提案しました。
　本研究成果は、日本時間 2020年10月27日（火）に米国物理学会発行の Physical Review B 誌のオンライン版で発表されました。なお、原子番号84のポロニウムの原子層を「ポロニウメン（poloniumene）」と名付けた研究成果については、日本時間 2020年７月16日（木）に Scientific Reports誌のオンライン版で発表されました。

安定构造に関する相関関係の例。叁角格子を积层することで，面心立方格子または六方最密构造が作られる。この考えを合金构造の理论予测に応用することができる（右図は奥颁构造の概念図）。

本研究成果のポイント

周期表のリチウムから铅までの金属元素が原子层として安定に存在するかどうかを，力定数行列²⁾を計算する手法が実装された第一原理計算ソフト（Quantum ESPRESSO）を用いて調べました。
安定な原子层の积层构造が安定な３次元结晶に一致することがわかりました。
この関係を、２種類以上の金属元素からなる合金系に応用しました（歪んだ蜂の巣格子構造を安定構造に持つアルミニウム（Al）と銅（Cu）に注目）。歪んだ蜂の巣格子は２つの三角格子を積層させたものであり、積層方向に周期的境界条件を課すとタングステンカーバイド（WC）構造が形成されます（上図）。そこで WC構造の合金 AlCu の格子振动³⁾计算を行い、この构造が安定に存在し得ることを确认しました。
相対论効果を取り入れた格子振动计算を行うことで、正方格子构造のポロニウムが安定に存在することを予言し、この原子层をポロニウメン（辫辞濒辞苍颈耻尘别苍别）と名付けました。

¹⁾计算物质科学：原子種類と原子位置の情報だけから物質の電子状態を計算する第一原理的手法を用いて、新物質予測（マテリアルデザイン）やその物性解明を目的とする学問。近年の計算機性能の向上に伴い、物質中の電子が従う方程式を短時間で解くことが可能になり、計算に基づく物質科学の研究が活発に行われている。
²⁾力定数行列：結晶の全エネルギーを原子位置に関して２階微分することで得られる行列のこと。この行列の固有ベクトルと固有値は、それぞれ格子振动パターンとその振動数の２乗に対応する。ある固有振動に対応する固有値が負の場合、結晶はその格子振动に対して不安定であり、エネルギー的により安定な別の結晶構造に転移する。
³⁾格子振动：結晶中の原子が近くにいる他の原子と力を及ぼし合うために生じる集団的な振動のこと。結晶中では格子振动は「波」のように振舞い、縦波や横波、波長の大きさなどにより振動パターンが分類される。

详しい研究内容について

周期表の金属元素の新しい同素体を理论予测
　　金属同士の相性に基づく合金构造探索に新たな道

论文情报

(1) ポロニウメン：原子番号 84 のポロニウムの原子層

雑誌名：Scientific Reports
论文名：Two-dimensional square lattice polonium stabilized by the spin-orbit coupling
着　者：Shota Ono
顿翱滨番号：10.1038/s41598-020-68877-4
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