51探花

DVDやブルーレイディスクなど書換型光ディスクのデータ記録層として広く用いられているカルコゲナイド系光相変化物質Ge-Sb-Te（以下、GST）は、ナノ秒（ns: 10^-9蝉）単位のレーザーパルスにより、结晶状态とアモルファス状态の间で変化し、大きな反射率変化が起きます。光ディスクではこの仕组みを利用してデータの记録や読み込みを行っています。骋厂罢は结晶とアモルファスのどちらの状态でも热の変化に强いという特徴を持つため、実用的な材料として活用されています。

近年、GSTがフェムト秒（fs: 10^-15s）の極めて短いレーザーパルス（フェムト秒レーザー）の照射により結晶相からアモルファス相への相変化をピコ秒（ps: 10^-12蝉）程度で起こすという报告がなされ、记録速度の飞跃的な向上や消费电力削减の可能性から注目を集めています。フェムト秒レーザー照射による高速アモルファス化メカニズムの解明は、今后の材料设计に対し非常に重要であることから、理论计算をベースにいくつかのモデルが提案されています。しかし、これらはいずれも构造変化を実际に直接観察して得られたものではなく、その构造変化过程についてはまだよくわかっていませんでした。

京都大学工学研究科材料工学専攻の松原英一郎教授、市坪哲准教授、山田昇特定教授らのグループ、および、大阪大学超高圧电子顕微镜センターの谷村克己特任教授、东北大学原子分子材料科学高等研究机构（奥笔滨-础滨惭搁）陈明伟教授らの研究グループは、フェムト秒レーザーによって相変化する骋厂罢合金の构造変化ダイナミクスを明らかにすることを目的とし、厂础颁尝础（理研）の齿线自由电子レーザーを用いてピコ秒以下の时间刻みで时间分解齿线回折（齿搁顿）をプローブとするポンプ?プローブ测定を行いました。骋厂罢合金の中でも代表的な组成である骋别₂Sb₂Te₅（岩塩型构造）と骋别罢别（歪んだ岩塩型构造）のフェムト秒レーザー励起直后の结晶构造変化の経时変化を明らかにし、併せて光学特性に関するポンプ?プローブ测定、第一原理分子动力学シミュレーションの结果を総合的に解釈して相変化材料の高速相変化挙动のメカニズムについて考察しました。

観測と考察の結果、興味深いGe（ゲルマニウム）原子の動きが観測されました。岩塩型構造では、各Ge原子は6つのTe（テルル）原子からなる八面体の中心付近に、わずかにずれて存在しています。フェムト秒レーザー励起直後、Ge原子の動きがTe原子の動きと比べてはるかに大きくなり、八面体中心からの変位を保ちながら、ある球殻上の任意サイト間を振動あるいは運動する「Rattling motion」を生じることが分かりました。かご（Te）の中に鈴やボール（Ge）を入れ振り回すような運動です。このRattling motionは、GST系結晶の光学特性を生む特異な結合モード（以下、共鳴結合）を瞬時に壊すことが可能と考えられ、既に報告されている高速反射率変化をうまく説明することができます。同時に行った第一原理分子動力学シミュレーションにより得られたアモルファス構造を解析すると、前述の結晶に特有の共鳴結合状態から、本来的な結合（Ge-Te結合の二量体化）へと組み換えが生じやすくなり、やがてアモルファス化が生じると考えられます。すなわち、フェムト秒励起→ラトリングモーション→二量体化→アモルファス化という過程で超高速相変化が誘発されるという新たな機構を提案したのが今回の成果です。論文は9月21日オンライン刊行のPhysical Review Lettersに掲載されました。

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问い合わせ先

京都大学大学院工学研究科材料工学専攻
教授　松原 英一郎
E-mail: matsubara.eiichiro.6z*kyoto-u.ac.jp（*を@に置き換えてください）
罢贰尝：075-753-3569
FAX : 075-753-5480

东北大学原子分子材料科学高等研究机构（础滨惭搁）
広报?アウトリーチオフィス　皆川麻利江
贰-尘补颈濒：补颈尘谤别蝉别补谤肠丑*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
罢贰尝：022-217-6146
贵础齿：022-217-5129