AgCrSe₂で液体状・ガラス状・結晶状のフォノン挙動が共存することを発見（AgCrSe₂ Shows Coexisting Liquid-Like, Glass-Like, and Crystal-Like Phonon Behaviors）

結晶、ガラス、液体では、原子の集団振動であるフォノンの振る舞いが異なり、これらの違いは物質の熱伝導特性を左右する。本研究では、層状超イオン伝導体AgCrSe₂の単結晶を対象に、高分解能非弾性中性子散乱実験、第一原理計算、分子動力学シミュレーションを組み合わせ、結晶内部のフォノン分散と方向依存性を調べた。その結果、単一の結晶性固体において、液体状、ガラス状、結晶状という3種類の横波フォノンの振る舞いが共存することを実験的に明らかにした。面内を伝播する一部の横波フォノンでは、分散関係のネスティングと銀イオン（Ag⁺）の動的な原子配列の乱れによって散乱が強まり、液体状の振る舞いが現れた。一方、別の伝播方向では、選択的な散乱によってガラス状の振る舞いが生じ、さらに別の方向では結晶特有の明瞭なフォノン伝播が維持された。また、熱伝導率測定から、極めて低い熱伝導率と顕著な異方性が確認された。本成果は、物質の状態を超えた原子振動の理解を深め、熱輸送理論の統一や異方的な熱伝導制御に新たな道を開くものである。
English
Crystals, glasses, and liquids exhibit distinct behaviors of phonons, the collective vibrations of atoms, which strongly influence thermal transport. In this study, the researchers investigated the phonon dispersion and directional dependence of single-crystalline AgCrSe₂, a layered superionic conductor, using high-resolution inelastic neutron scattering, first-principles calculations, and molecular dynamics simulations. They experimentally demonstrated the coexistence of three distinct types of transverse phonon behavior—liquid-like, glassy-like, and crystal-like—within a single crystalline solid. For certain transverse phonons propagating within the crystal plane, phonon dispersion nesting and dynamic disorder of silver ions (Ag⁺) enhance scattering, resulting in liquid-like behavior. In another propagation direction, selective scattering caused by dynamic atomic disorder produces glassy-like behavior, while phonons in a different direction retain well-defined crystal-like propagation. Thermal conductivity measurements further revealed ultralow thermal conductivity and pronounced anisotropic heat transport. These findings challenge conventional distinctions between crystalline, glassy, and liquid states at the level of atomic dynamics and provide new insights into the development of unified thermal transport theories and the control of anisotropic phonon transport in solid materials.