Exotic centrosymmetric phase of acentric urea under high pressure

物質が静止していることは稀である。最も身近な固体でさえ、十分な力が加わればその内部構造を再編することができる。高圧物理学として知られるこの研究分野は、惑星の深部を模したような、押しつぶすような力にさらされた際に材料がいかに変容するかを探求している。この研究の中核にあるのは、結晶の中で分子を繋ぎ止めている、弱いが極めて重要な結合である水素結合の振る舞いである。通常の状態では、これらの結合は特定の秩序あるパターンを作り出す。しかし、圧力が極限に達すると、これらのパターンは崩壊し、移動し、あるいは対称化することさえあり、全く新しい物質の状態へと導く。そのような材料の一つが、肥料から化粧品に至るまであらゆるものに含まれている単純な有機化合物、尿素である。棚の上にあるときは何の変哲もないように見えるが、科学者たちは、尿素を圧縮することで、水素原子が結合のちょうど中心へと移動し、完全に左右対称の構造を作り出す深部地球の氷に見られるような、エキゾチックな挙動が明らかになるのではないかと長年疑ってきた。これらの転移を理解することは、ストレス下で物質がどのように振る舞うかを支配する根本的な規則をマッピングする助けとなり、化学結合の性質や新材料への可能性についての手がかりを与えるものである。

最近の研究において、研究者たちは、圧縮された際に尿素がどのように振る舞うかという長年の謎を解明しようと試みた。長年、尿を圧縮すると特定の対称的な結晶構造に変化するという相反する報告があったが、水素原子を直接観察することの難しさにより、その証拠は混迷していた。この不確実性を打破するために、チームはいくつかの強力な技術を組み合わせた。彼らは、ダイヤモンドアンビルセルとして知られる装置を用い、二つのダイヤモンドの先端の間に小さな尿素の結晶を配置した。この装置は、最も深い海溝よりもはるかに高い圧力を発生させることができる。ダイヤモンドを通してレーザーやX線を照射することで、彼らは材料の変化をリアルタイムで観察することができた。決定的なことに、彼らは対称性のテストとして機能する「二次高調波発生」と呼ばれる手法を用いた。この技術は、材料に中心対称性が欠如している場合にのみ信号を生成する。もし信号が消失すれば、それは構造が完全に対称になったことを証明する。

結果は、圧力下における尿素の旅路について、明確かつ複雑な姿を描き出した。圧力がゼロから上昇するにつれ、尿素の結晶はいくつかの明確な相を経て変化した。最初の変化は約0.5ギガパスカルで起こり、材料は新しい非対称の形態へと再編された。圧力が上昇し続けると、研究者たちは5.2から10ギガパスカルの間で、奇妙な中間状態が出現するのを観察した。この範囲では、材料は量子的な無秩序状態にあるかのように振る舞った。通常は分子を硬い格子状に保持している水素結合が、軟化し、変動し始めたのである。研究者たちは、これはプロトン（水素原子内の小さな正電荷を持つ粒子）がエネルギー障壁をトンネル効果によって通り抜け、位置の間を不規則に移動しているためではないかと推測している。この「量子的な融解」は、単純な分類を拒むような、乱れた無秩序な相を生み出した。これが、これまでの研究がこの圧力領域における材料の構造について一致した見解を得るのに苦労してきた理由である。

最も重要な発見は、圧力が10ギガパスカルを超えた時に起こった。この時点で、対称性テストからの信号が完全に消失し、尿素が中心対称構造へと変容したことが確認された。これは、分子が、あらゆる部分が反対側に鏡像を持つ、完全にバランスの取れた格子へと再編されたことを意味する。この新しい相は、チームによって明確なポリモーフ（多形）として特定され、これらの極限圧力下で安定している。この転移は即時的なものではなかった。圧力が解放された際にも材料は元の状態に戻ることに強い抵抗を示した。これは、新しい構造がエネルギー的に有利であるが、逆転させるのが困難であることを示している。チームはまた、高度なコンピュータシミュレーションを用いてこれらの構造を予測したが、彼らのモデルは実験データと一致し、この対称相がこのような押しつぶされる条件下での最も安定した形態であることを裏付けた。

この発見を特に魅力的なものにしているのは、それが従来の仮定に異を唱えている点である。以前の研究では、尿素はより低い圧力で異なる対称相を経由する可能性が示唆されていたが、新しいデータは、材料が10ギガパスカルの閾値に達するまで、無秩序で非対称なままであることを示している。水素結合が流動的な状態にある中間領域は、秩序と無秩序のルールが曖昧になるユニークな物質の状態である。研究者たちは、水素原子がただ静止しているのではなく、圧力が圧倒的になるまで固定された対称パターンに落ち着く前の、電荷移動と運動のダイナミックなダンスに参加していることを見出した。この挙動は深部地球の氷で起こることと酷似しており、尿素がこれら極限の惑星条件を研究するための、より単純でアクセスしやすいモデルになり得ることを示唆している。

直接的な観察と理論的な予測を組み合わせることで、チームは圧力下における尿素の挙動に関する改訂版マップを構築した。彼らは、対称への道は直線ではなく、量子効果が支配する、乱れた中間領域を伴うものであることを示した。この研究は単に新しい結晶形態をカタログ化するだけでなく、水素結合が限界まで押し込まれたときにどのように振る舞うかを知るための窓を提供している。それは、適切な条件下では、化学結合の性質そのものが変化し、原子が通常の圧力下では不可能な方法で空間を共有することを許容することを示唆している。深部地球を研究する科学者や、新材料を設計する人々にとって、これらの知見は、周囲の世界が破壊点まで絞り込まれるとき、物質がどのように自らを組織化するのかについてのより明確な理解を提供するものである。