ガラスの「ボゾンピーク」の正体を解明 ―音波と“ひも状振動欠陥”の共鳴が生む普遍的振動異常―

2026-06-16 東京大学

東京大学の田中肇名誉教授らの研究グループは、ガラスや高分子、金属ガラスなどの非晶質材料に普遍的に現れる振動異常「ボゾンピーク」の微視的起源を解明した。ボゾンピークは、ガラスの低温比熱異常や熱伝導率低下、音波の強い減衰などの原因とされてきたが、その発生機構は40年以上にわたり未解明だった。研究チームは大規模分子動力学シミュレーションを用いて振動モードを解析した結果、ガラス内部に粒子がひも状につながり協調的に滑る「ストリング滑り振動」と呼ばれる新しい振動欠陥を発見した。この欠陥は固有振動数を持ち、音波(フォノン)の振動数が近づくと強い共鳴結合を起こす。その結果、音波エネルギーが欠陥振動へ移行し、音波伝播が阻害されると同時に振動状態密度が過剰に増加し、ボゾンピークが形成されることを明らかにした。また、低周波領域では準局在振動モード、高周波側のボゾンピーク近傍ではストリング滑り振動が支配的であることも示した。本成果は、ガラスの熱・音響・力学特性の理解を大きく前進させ、防振材料やフォノニック材料、メタマテリアル設計への応用が期待される。

ガラスの「ボゾンピーク」の正体を解明 ―音波と“ひも状振動欠陥”の共鳴が生む普遍的振動異常―
2次元ガラスのボゾンピーク周波数付近の一粒子過剰振動状態密度のストリング状パターン

<関連情報>

弦滑り振動モードは、非晶質材料におけるボソンピークとフォノン異常を支配する String-sliding vibrational modes govern the boson peak and phonon anomalies in amorphous materials

Qing Xi,Yinqiao Wang & Hajime Tanaka
Nature Materials  Published:16 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-026-02592-9

Abstract

The boson peak is a universal vibrational anomaly of amorphous materials, yet its microscopic origin has remained unclear for decades. Using simulations of ordinary, hyperuniform and unstressed glasses in two and three dimensions, we show that the boson peak originates from the strong resonant coupling—arising from frequency matching—between phonons and intrinsic string-sliding vibrational modes. We identify two classes of excitations with distinct roles: quadrupolar quasi-localized modes (which dominate low-frequency non-affine responses) and string-sliding vibrational modes (which resonate with phonons at terahertz frequencies to generate the boson-peak excess). The boson peak persists even in glasses without quasi-localized modes or associated elastic heterogeneity, whereas phonon anomalies follow directly from this resonance mechanism. Together, these findings establish string–phonon resonance—rather than quasi-localized modes or elastic heterogeneity—as the central microscopic mechanism of the boson peak and provide a unified mode-based framework for understanding and tailoring the vibrational and mechanical properties of amorphous solids.

1701物理及び化学
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