金属「ナトリウム」が高圧で透明な絶縁体となる理由を解明

惑星内部のように極端な高圧環境では、物質の性質は大幅に変化します。多くの物質は電気を通す金属のような性質を持つようになりますが、一部の物質は電気を通さない絶縁体になるなど、傾向に当てはまらない場合もあります。

ニューヨーク州立大学バッファロー校のStefano Racioppi氏などの研究チームは、高圧で絶縁体になることが知られている金属「ナトリウム」について、電子の配置をスーパーコンピューターを使って計算することで、絶縁体になる理由を探りました。その結果、従来の考えとは異なり「高圧電子化物（High-Pressure Electrides）」となることが絶縁体になる理由であることが判明しました。高圧環境下での物質の性質には謎が多く、このノウハウは他の物質の研究でも生かされるでしょう。

【▲図: 鉱物油中に保存された金属ナトリウム。他の金属と同じく、よく電気を通す導体で、不透明です（Credit: Greenhorn1）】 ■低圧では金属、高圧では絶縁体となる「ナトリウム」

惑星内部のように極端な高圧環境は、通常の常温常圧環境と比較して物質の性質を大幅に変化させることがあります。例えば、水素は通常の環境では電気を通さない気体ですが、木星や土星の内部では電気を通す固体や液体である「金属水素」になっていると広く信じられています。金属水素は文字通り金属のように電気を通すため、木星や土星が持つ強大な磁場の源になっていると考えられています。

金属水素のように惑星内部の高圧でのみ存在できる物質は惑星そのものの性質を左右している可能性もあるため、高圧環境下での物質の性質を探ることはとても重要です。ただし、そのような高圧環境を実験室で再現するのは困難であり、場合によっては現状の技術では不可能なこともあります。長年の研究にも関わらず、金属水素の性質が “信じられている” と不確定な表現になっているのはその最たる例です。実験データの不足は、シミュレーションによって予測をすることも困難にさせています。

絶縁体の水素が金属水素となるように、高圧下の物質は金属化するというのが一昔前の一般的な見方でしたが、実際には金属から絶縁体となる物質も報告されています。その代表例が「ナトリウム」です。単体のナトリウムは常温常圧では不透明な金属ですが、高圧をかけると透明な絶縁体となることが2001年に予測され、2010年には実験的に証明されました。

ただし、ナトリウムがどのようにして透明な絶縁体となるのかはよくわかっていません。今回の研究以前では、ナトリウム原子の周りにある電子が高圧によって “絞り出され” て原子の間に嵌まり込んでしまい、周りから孤立して出られなくなることによって起こると考えられていました。自由に動ける電子がなくなれば電流が流れなくなる絶縁体になるため、実験データと一致します。しかし、この予測には比較的簡易的な計算に基づいているという問題がありました。

■高圧のナトリウムの電子の挙動が判明

Racioppi氏らの研究チームは、バッファロー校が所有するスーパーコンピューターで計算を行い、ナトリウムの変化に関する正確な状況をシミュレーションしました。なお、この研究は、2001年に高圧下ナトリウムの絶縁体化を予測した研究者の1人である故Neil Ashcroft氏に捧げられています。

Racioppi氏らは、ナトリウム原子の周りにある電子がどのように振る舞うのかを量子化学的な手法でスーパーコンピューターに計算させて、電子の配置を決定しました。その結果、ナトリウム原子の電子は高圧をかけても原子から分離し孤立するのではなく、引き続き原子と結びついていることが明らかになりました。この結果に基づくと、高圧下のナトリウムが絶縁体になるのは、電子そのものが化学結合の形で原子と強力に結びついて動かなくなったからだと考えられます。

この状態での電子は化学結合の担い手ではなく、陰イオンの性質を持つ1個の原子のような形で振る舞います。このような状態となった物質を「電子化物」と呼びますが、高圧下のナトリウムが高圧電子化物であることを具体的に示したのは今回が初めてです。

今回の研究対象はナトリウムですが、高圧下で非典型的な振る舞いをする物質は他にもあるかもしれません。そのような物質の具体的な事例を見つけて原理を解明するのは困難であるため、今回の研究はマイルストーンとして重要です。他の事例が見つかれば、高圧がかかる惑星の内部の様子をさらに詳しく解明する手掛かりとなるでしょう。

 

Source

Stefano Racioppi, et al. “On the Electride Nature of Na-hP4”. (Angewandte Chemie International Edition) Tom Dinki. “Sodium’s high-pressure transformation can tell us about the interiors of stars, planets”. (State University of New York at Buffalo) J. B. Neaton & N. W. Ashcroft. “On the Constitution of Sodium at Higher Densities”. (Physical Review Letters) Matteo Gatti, Ilya V. Tokatly & Angel Rubio. “Sodium: A Charge-Transfer Insulator at High Pressures”. (Physical Review Letters)

文／彩恵りり