筑波大ら,テラヘルツでガラスのボソンピークを検出

筑波大学と立命館大学,及び韓国Hallym大学は,身近な糖類であるグルコース(ブドウ糖)ガラスに対し,テラヘルツ時間領域分光(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)を行ない,ボソンピーク(BP)励起を観測することに成功した(ニュースリリース)。

BPの起源の候補は諸説あり,永らく議論の対象となっているが,近年,「音響フォノンの終わり」説が有力とされている。研究では,吸収係数αを周波数νで2度割った「α/ν2」のスペクトルにBPが明瞭に現われることを示し,ガラスの音響フォノンの終わりをTHz光で検出できることを見出だした。

ガラスのBPは,ガラスの中距離構造のサイズ,即ち結晶における「ユニットセルのサイズ」に対応する大きさを示しており,これはマクロな物理量である密度やずり弾性率との相関がある。THz光による「ボソンピークイメージング」を行なえば,非接触な密度マップ評価などのTHz光の新たな応用が期待される。

また,BPの検出法として良く知られた方法にラマン分光がある。研究では,THz分光とラマン分光を高精度に行ない,それらのスペクトルの「比」をとることによって,「比光振動結合定数」というBP評価の新しい手法を提案した。

これにより,研究対象のグルコースガラスのTHzスペクトルが,従来提案されていた理論モデルから逸脱するという異常を発見した。この異常は,グルコースのみで観測されるものではなく,何らかの新しいガラスのカテゴリーの存在を暗示し,その起源解明はBPダイナミクスの本質の理解にも繋がるという。

これは,赤外(THz)・ラマン分光のスペクトルをそれぞれ単体で見た場合には気付かず,両者の高精度スペクトルを比較することによって初めて得られた知見。

BPは,どんなガラスにもTHz帯に普遍的に現われる。テラヘルツ光でBPを視るという新しい「目」を得ることによって,ガラスの未解決問題とされるBPの起源解明に大きく貢献できることが期待されるとしている。

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