本研究では、Mg₂GeO₄高圧相の陽イオン副格子における、I-42d型の低温相とTh₃P₄型の高温相間での秩序無秩序転移を第一原理計算によって予言しました。この全く新しい予言は、数多くの原子配置から比熱のピーク温度を計算することにより成されました。Mg₂GeO₄はスーパーアースマントル深部の構成物質であるMg₂SiO₄の低圧アナログ物質であるので、本研究で予言された秩序無秩序転移はスーパーアースマントル深部でも起こると期待され、スーパーアースの内部構造やそのダイナミクスに重要な役割を果たすと予想されます。

近年、地球型系外惑星であるスーパーアースの候補が数多く発見されています。巨大スーパーアース内部の温度圧力は地球のそれよりもはるかに高いですが、そのような超高温高圧条件を実験的に再現することは現在も困難です。そこで、超高温高圧条件下での第一原理計算が、惑星内部構造を数値モデル化する上で大変重要になっています。地球の下部マントルの主要構成物質であるMgSiO₃は、地球マントル最深部でポストペロブスカイト (PPV) 構造をとることが知られています。これまでの第一原理計算研究によると、さらなる高圧では、このPPV相は、MgSiO₃ PPVà I-42d型 Mg₂SiO₄ + P2₁/c型 MgSi₂O₅ à I-42d型 Mg₂SiO₄ + Fe₂P型 SiO₂ à CsCl型 MgO + Fe₂P型 SiO₂という３段階のポストPPV分解反応を起こします。しかしこれらの予言は静的条件で行われたものであり、温度効果は明示的に取り入れられていませんでした。スーパーアースの深部では温度が非常に高くなっているので、圧力によるものだけでなく、温度によって引き起こされる相転移も研究されるべきでした。

本研究では、I-42d型Mg₂GeO₄について、温度で誘起される秩序無秩序転移を、第一原理計算によって予言しました。I-42d型Mg₂GeO₄は、Mg₂SiO₄の低圧アナログ物質です。I-42d型Mg₂GeO₄では、Mg原子とGe原子は８個の酸素原子によって囲まれており、その局所的構造は非常に似通っています。これにより、高温ではエントロピーの効果で全ての陽イオンが完全にランダムに分布し、それによって秩序無秩序転移が引き起こされるのです。全ての陽イオンサイトが同等になると、結晶構造はI-42d型からTh₃P₄型に変化します。

秩序無秩序転移温度 (T_c) は、統計力学的手法によって求められました。無秩序相であるTh₃P₄相を扱うために、56原子からなるスーパーセルについて125個の原子配置を生成しました。それらについてボルツマン因子を第一原理計算によって計算して、そこから分配関数を計算しました。この分配関数からただちに低圧比熱が計算され、そのピーク温度がT_cを与えます。このT_cは圧力とともに上昇するので、秩序無秩序転移の相境界は正のクラペイロン勾配を持ちます。予言された秩序無秩序転移を取り入れることにより、高温でMgGeO₃ PPV à Th₃P₄型 Mg₂GeO₄ + pyrite型 GeO₂という新たなポストPPV転移反応が起こることが示されました。Mg₂GeO₄はMg₂SiO₄のアナログ物質であるので、Mg₂SiO₄でも秩序無秩序転移が起こることが期待されます。このMg₂SiO₄はスーパーアース深部マントルの構成物質の一つであるので、本研究で予言された秩序無秩序転移は、スーパーアースの内部構造とダイナミクスに大きな影響を与えるでしょう。