同位体によるラマンスペクトル変化の起源を体系的に解明 ―フォルステライトの酸素同位体効果を第一原理計算で明らかに―

2026-04-22 九州大学

九州大学の荒川雅准教授は、かんらん石の一種フォルステライト(Mg₂SiO₄)における酸素同位体がラマンスペクトルへ与える影響を、第一原理計算で体系的に解明した。従来は振動数変化の理解に留まっていたが、本研究ではピーク位置の低波数シフト(質量効果)、対称性低下による新規モード活性化、置換位置依存のピーク分裂、構造多様性による広がりという複合要因を明確化。密度汎関数理論により実験結果とも整合する定量的再現に成功した。これにより、ラマン分光を用いた非破壊の同位体分析の理論基盤が確立され、隕石や惑星物質の起源解明への応用が期待される。

同位体によるラマンスペクトル変化の起源を体系的に解明 ―フォルステライトの酸素同位体効果を第一原理計算で明らかに―
同位体置換によるラマンスペクトル変化の模式図。酸素同位体の増加に伴い、ピークは低波数側へシフトし(質量効果)、置換サイトの違いによりピーク分裂が生じ、対称性の低下によりピークの広がりが生じる。

<関連情報>

フォルステライト(Mg2SiO4)のラマンスペクトルに対する酸素同位体効果の計算解析 Computational Analysis of Oxygen Isotope Effects on the Raman Spectra of Forsterite (Mg2SiO4)

Masashi Arakawa
The Journal of Physical Chemistry C  Published: April 21, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c08487

Abstract

The dependence of Raman spectra of forsterite (Mg2SiO4) on oxygen isotopic ratios was systematically investigated using density functional theory (DFT) calculations with the CRYSTAL17 code. Si–O stretching vibrational frequencies and Raman intensities were computed for a series of isotopic compositions (α = 17O/16O, 18O/16O) over the α = 0.0159–0.143 range, employing unit-cell and, for lower α values, supercell models, as well as for the end-member structures at α = 0.000 and 1.000. Partial isotopic substitution breaks the lattice symmetry, activating originally Raman-inactive modes, while site-dependent substitution induces band splitting. The simulated spectra quantitatively reproduce the experimentally observed red shifts with increasing heavy-oxygen fractions and explain the broadening of the major peaks near 810 and 960 cm–1 through a combination of symmetry reduction and site-specific effects. These results provide microscopic insight into the influence of isotopic substitution on the Raman response of forsterite and establish a theoretical foundation for future micro-Raman studies aimed at precise oxygen isotopic ratio determination.

1702地球物理及び地球化学
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