東京大学の水野英如助教、池田昌司准教授、および東北大学の芝隼人特任助教は、ガラスと通常の固体では振動特性が本質的に異なることを発見した。

 固体を叩くと音が出るが、これは固体に固有な分子振動のパターンが音波であるためだ。音波は空間的に広がった波であり、「デバイ則」(音波の数が周波数の2乗に比例)と呼ばれる法則に従う。しかしガラスにはデバイ則では説明できない振動パターンがあることが古くから示唆されてきたが、それがどのようなもので、どのような法則に従うかは不明だった。

 今回の研究では、大規模なコンピュータシミュレーションを行い、ガラスに固有な振動パターンを解明することに成功した。具体的には、分子一つ一つを扱う分子シミュレーションを行うことにより、ガラス中での分子の振動パターンを詳細に調べた。

 その結果、ガラスには音波に加えて、音波とは全く異なる、空間的に局在化した振動があることを発見した。その振動パターンは、空間的に局在化した振動、すなわち空間中のある一部の分子が大きく振動する一方で、他の分子はほとんど振動しない振動パターンであることが分かった。

 さらに、この局在振動は、デバイ則とは異なる全く新しい法則に従うことが判明。すなわち、ガラスにはデバイ則に従う音波と、それとは別の法則に従う局在振動が混在していることが確立された。

 この結果は、ガラスが通常の固体とは本質的に異なることを決定的に示している。今回の成果は、長年論争となっていた、ガラスの振動特性の問題に終止符を打つとされる。さらに、ガラスの熱的・力学的性質の基礎理解が大きく進展し、新しいガラス材料を開発する技術へつながるものと期待できる。

論文情報:【Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America】Continuum limit of the vibrational properties of amorphous solids

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