大約在70年前，P.W.Anderson（菲利普·沃倫·安德森，美國物理學家）在思考磁鐵礦（Fe₃O₄）基態的過程中，提出了一個推測：每個四面體中都排列著兩個Fe²⁺和兩個Fe³⁺。然而，這種理想的有序模式遍布整塊晶體的實例，長期以來未曾被發現。
岡山大學學術研究院環境生命自然科學學域的片山尚幸教授、名古屋大學研究生院工學研究科的江見方敏博士研究生（岡山大學委培）、北裡大學理學部物理學科的杉本高大講師、電氣通信大學研究生院資訊理工學研究科的松林和幸教授等人組成的聯合研究團隊，在高壓下對尖晶石化合物CuIr₂S₄進行了研究，並以短Ir-Ir鍵週期性排列（鍵序）的形式，發現了與Anderson就磁鐵礦基態提出的「每個四面體中都有兩個Fe²⁺和兩個Fe³⁺排列」相對應的有序結構。研究透過確定全部原子的位置，發現在每個四面體中「參與短鍵的原子」與「不參與短鍵的原子」按2對2排列。此次確定的結構將成為理解更高壓力下出現的超導母體的基礎。相關研究成果已發表於期刊《Communications Chemistry》。
圖1 X射線繞射實驗與第一性原理計算相結合的結構解析流程。首先，從X射線繞射資料中確定晶體的大致結構與Ir原子骨架；接著，以該骨架為起點，透過第一性原理計算調整原子排列，再將所得結構與全部繞射資料對照，從而確定所有原子的位置。左側紅圈表示觀測到的繞射強度，黑線表示由結構模型計算出的強度，藍線表示兩者之差。淡黃色區域表示在解析推進過程中，一致度出現明顯改善的部分。（圖片出處：2026年10月26日岡山大學新聞稿，圖片提供：岡山大學）
CuIr₂S₄是由銅（Cu）、銥（Ir）、硫（S）構成的尖晶石型化合物，Ir原子會形成由共頂點四面體三維連接而成的燒綠石晶格。在這種晶格中，所有的原子間相互作用難以同時滿足，因而產生多個有序態相互競爭的幾何阻挫。
研究團隊在SPring-8的高壓結構物性光束線上，使用將樣品夾在兩顆金剛石之間的裝置進行了粉末X射線繞射；以氦氣作為傳壓介質，在室溫下加壓至約25.7GPa，追蹤原子排列的變化。
研究發現，隨著壓力升高，原子排列從金屬態的簡單排列，經過更為複雜的絕緣態排列，在更高壓力下轉變為新的原子排列。此外還查明，以往被視為獨立結構的中間壓力區域，實際上是前後兩種結構混合共存的區域。
首先，研究人員從繞射資料中確定晶體的大致結構與Ir原子骨架，接著透過第一性原理計算調整原子排列，最後再將該結構與全部繞射資料重新進行了對照。透過在實驗與計算之間反覆比對驗證，兩種不同壓力下獲得的資料，均穩定確定出了同一結構。
常壓冷卻時出現的結構與此次確定的高壓結構都具有短Ir-Ir鍵，但二者的排列方式差異很大。在高壓結構中，短鍵形成新的周期模式，構成每個Ir四面體的4個Ir原子中，有2個參與短Ir-Ir鍵的形成，其餘2個不參與，呈現「鍵的2對2」排列。
Anderson曾給出這一排列規則，作為四面體上兩種電荷按2對2排列的條件。而此次觀測到的，正是與之對應的「鍵的2對2」有序結構。在CuIr₂S₄中，電荷並未完全以整數形式分開，但參與短鍵的Ir與不參與短鍵的Ir在每個四面體中各排列兩個。可以理解為，約70年前作為電荷排列提出的規則，以鍵的排列形式顯現了出來。
此外，第一性原理計算表明，隨著壓力升高，此次發現的短鍵排列會趨於穩定。這支持了「壓力會促使體系形成新的鍵序狀態」這一實驗結果。
片山教授表示：「高壓實驗限制較多，有時很難透過實驗確定原子的排列。此次我們透過同步輻射實驗鎖定候選結構，用計算調整結構，再回到實驗中加以確認，由此查明了看不見的鍵排列模式。我希望把這種方法推廣到其他高壓物質的研究中。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Chemistry
論文：Crystallographic origin of pressureinduced bond order in the frustrated spinel CuIr₂S₄
DOI：10.1038/s4200402602240y
