【ブロック氷に塩化ナトリウム塩を振りかけたキャパシタの観察におけるトポロジカル絶縁体モデル】　

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【はじめに】

近年、ミクロな絶縁体結晶の表面での導電現象を表すトポロジカル絶縁体というキーワードでの研究が盛んだ。主にビスマス酸化物について研究されており、絶縁体の結晶表面に現れる金属的な状態の薄膜が取り囲むことで導電性を示すと考えられている。

私はビスマス酸化物薄膜が焼結温度によって導電性が極めて大きくなる現象を1996年に見い出している。コンデンサの絶縁体のリーク電流として捉えていた。これはトポロジカル絶縁体の生じる条件と一致している。

この時、ビスマス結晶薄膜は熱処理温度に応じて、ビスマス結晶の周りに極めて微細な結晶群が観察されることがあった。それはビスマス酸化物の融点817℃から70℃ほど低い熱処理温度だった。

また金属ビスマスの融点は271℃と低く、室温からは250℃高いが、キャパシタの熱抵抗で生じる熱で局所的に加熱され得る温度と考えている。

今回、ビスマスと似たような固体と液体の状態変化の様式を示す水の固体で、融点より少し低い温度を凝固点降下で示す系で、上下電極に挟み込むコンデンサ型の測定を行った。

ビスマス酸化物の周りに液体状の酸化物と塩状態の微細粒子から成る構造を再現するために融点がゼロ℃で室温に近い氷のコンデンサを作製した。また塩化ナトリウム塩を振りかけて微細粒子の代わりとした。

ビスマス酸化物のトポロジカル絶縁体と似たような現象が巨視的なモデルで再現できることを示し、トポロジカル絶縁体研究に役立てるため報告する。

【方法】ブロック氷６つに塩を５グラム。

アルミホイルで上下を挟む。

アルミ電極間はおよそ30ミリ。

室温10℃、湿度50％。

抵抗値を200キロΩレンジで測る。

【結果】抵抗値は、16から35キロΩでふらふら動く。最頻出は22キロΩ。３%食塩水は比抵抗がおよそ0.2Ω・mという。水道水は比抵抗が10から50Ω・mらしい。水道水の氷は自分の測定では抵抗2000キロΩのレンジでも測定不能。ほぼ絶縁体。

参考サイトでは食塩水と水道水は抵抗値が50倍以上大きくなる。

http://skomo.o.oo7.jp/f44/hp44_3.htm

20Ωから50倍なら1000Ωで測定できるはずだが、今回の氷の場合にはできていない。

氷に塩を振りかけた図とコンデンサの断面図の観察写真を示してある。

【追試】

氷のキャパシタの抵抗値を追試した。氷６個アルミホイルの上下電極と同じ条件だ。抵抗値は150キロオーム程度を示す時がある。が測定針が接した瞬間から抵抗は上がり始め、2000キロオームを超える。

塩を振りかけた氷キャパシタは15キロオームを示す事があるが測定値は測定針が接した瞬間から上がり始める。追試では安定した値はしめさなかった。50キロオーム以下を示す時間がおよそ数十秒で、１分測定テスターを当てると2000キロオームを超える。

前回の測定値は針をタップしながら瞬間的な値を繰り返し読む方法だった。
測定する電流の熱、室温で接触状態が揺らぐようだ。

【考察】

水道水の氷自体はほぼ絶縁体。塩を振りかけると氷の周りに濃い塩水が電解質として取り囲む。観察写真から電解質の食塩水が氷の回りに付着するように濡れて囲んでいる様子が分かる。

断面図から見ても食塩水は上下に分布していることが分かる。上下のアルミホイル電極の間の導通はこの氷の周りの電解質部分が担ったと考えられる。

こうした固体自体は絶縁体だが固体結晶表面に現れる薄い導電部を持つ絶縁体は、トポロジカル絶縁体と呼ばれる結晶に類似している。

トポロジカル絶縁体の表面は金属的であると推測されている。が、実際に金属状態とは証明されてはいない。結晶表面に液体状態が現れて電解質部分が薄く取り囲むことでも、トポロジカル絶縁体と似たような現象が巨視的に観察できる。

ミクロな結晶表面にも似たような液体電解質状態が現れる可能性があると巨視的モデルから推測できる。

【まとめ】

今回、氷に塩を振りかけたキャパシタ実験からトポロジカル絶縁体と類似した現象が、巨視的な系において表面電解質モデルで表せる可能性を示した。

Observation of a topological insulator model of a capacitor sprinkled with sodium chloride salt on block ice　

Introduction.

In recent years, there has been a great deal of research on topological insulators, which describe conductive phenomena on the surface of microscopic insulator crystals. Bismuth oxide is mainly studied as a topological insulator, which is thought to exhibit electrical conductivity when surrounded by a thin film in a metallic state that appears on the surface of insulator crystals.

In 1996, I found that the conductivity of a thin film of bismuth oxide increases greatly depending on the sintering temperature. I viewed this as a leakage current in the insulator of a capacitor. This is consistent with the conditions under which topological insulators arise.

At that time, very fine crystal groups around bismuth crystalline thin films were sometimes observed depending on the heat treatment temperature. It was a heat treatment temperature about 70°C below the melting point of bismuth oxide, 817°C.

https://waseda.pure.elsevier.com/ja/publications/phase-transition-in-ferroelectric-srbisub2subtasub2subosub9sub-th

In this study, a condenser-type measurement was performed on a water solid that exhibits a mode of state change between solid and liquid similar to that of bismuth, in a system that exhibits a temperature slightly lower than the melting point by freezing point depression, and which is sandwiched between upper and lower electrodes.

An ice capacitor with a melting point of zero °C and close to room temperature was fabricated to reproduce a structure consisting of liquid oxide and salt-state microparticles around a bismuth oxide. Sodium chloride salt was also sprinkled to substitute for the fine particles.

We show that a macroscopic model can reproduce a phenomenon similar to that of topological insulators in bismuth oxide, and report the results for the study of topological insulators.

Methods.

Place 5 grams of salt on six blocks of ice.

Put aluminum foil between the top and bottom.

The distance between the aluminum electrodes is approximately 30 mm.

Room temperature 10℃, humidity 50%.

Resistance was measured in the 200Ω range.

Results.

Resistance wobbles from 16 to 35 ohms. The most frequent value was 22Ω.

3% brine has a specific resistance of approximately 0.2 Ω-m. 

Tap water is said to have a specific resistance of 10 to 50 Ω-m.

Tap water ice is unmeasurable in my measurement, even in the resistance 2000Ω range. It is almost an insulator.

According to a reference site, salt water have resistivity values 50 times greater than tap water.

http://skomo.o.oo7.jp/f44/hp44_3.htm

If it is 50 times greater than 20 ohms, it should be possible to measure it at 1000 ohms, but it is not possible in the case of this ice.

A diagram photograph of salt sprinkled on ice and an observed photograph of a cross-sectional view of the capacitor are shown.

Discussion.

Tap water ice itself is almost an insulator. When salt is sprinkled on the ice, the thick salt water surrounds the ice as an electrolyte. From the observation photograph, it can be seen that the salt water as electrolyte is wet and surrounds the ice as if it were adhering to the ice.

The cross-sectional view shows that the brine is distributed vertically. It is thought that the electrolyte around the ice was responsible for the conduction between the upper and lower aluminum foil electrodes.

These insulators, which are insulators themselves but have thin conductive portions that appear on the surface of solid crystals, are similar to crystals called topological insulators.

The surface of topological insulators is assumed to be metallic. However, it has not been proven that they are actually metallic. A phenomenon similar to topological insulators can be observed macroscopically when a liquid state appears on the crystal surface and thinly surrounds the electrolyte portion.

It can be inferred from the macroscopic model that a similar liquid electrolyte state may appear on the surface of microscopic crystals.

Summary.

In this study, we showed that a phenomenon similar to that of topological insulators can be represented by the surface electrolyte model in macroscopic systems, based on the experiment in which salt was sprinkled on ice.

https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=6215