JAXAと東大、物質を浮遊保持する宇宙実験用技術を応用しホウ素の謎を解明

宇宙航空研究開発機構(JAXA)と東京大学(東大)は4月20日、理論的には金属だと考えられていたホウ素が、実は金属ではなく、半導体的性質を強く持つことを明らかにしたと発表した。

同成果は、JAXA宇宙科学研究所の岡田純平 助教、石川毅彦 教授と東大の木村 薫 教授を中心とする研究グループによるもので、米国物理学会誌「Physical Review Letters」に掲載される予定。

元素は大きく分けると金属と非金属(半導体、絶縁体)に分類され、ホウ素やケイ素(シリコン)などは金属と非金属の境界に位置しているとされる。こうした元素は固体と液体とで性質が異なり、例えばシリコンや炭素は固体では半導体だが、溶けると金属になる。ホウ素も溶けると金属になると考えれられていたが、融点が2077℃と非常に高く、極めて反応性が高いため、安定して保持できる容器が存在しないことが研究の障害となっており、実際に金属になるかどうかは確認されていなかった。

同研究では、国際宇宙ステーションでの実験に向けてJAXAが開発した静電浮遊法という技術を採用することでこの課題を克服。同技術では静電気によって材料を浮かせて保持するため、容器を用いる必要がなく、溶融状態のホウ素でも他の物質と反応することがない。同研究グループは、大型放射光施設SPring-8内に静電浮遊溶解装置を設置し、ホウ素融体中の電子の挙動を観測・解析することで、ホウ素融体中の電子の分布を求めた。その結果、大半の電子が原子間に拘束されていたことから、ホウ素融体は金属ではなく、半導体であることがわかった。

今回の研究で2000℃以上の超高温状態のホウ素を調べることに成功したことで、今後、これまでは調べることが困難とされていた超高温状態における物質の性質を調べることが可能になる。また、超高温状態の性質がわかっていない物質を正確に理解し、利用することで新たな材料開発につながることが期待される。