Orbital, charge and spin degrees of freedom in molecular solids

• Project/Area Number: 15K05478
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Functional solid state chemistry
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Yamamoto Takashi 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 准教授 (20511017)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 分子固体 / 軌道自由度 / 縮退軌道 / 電荷自由度 / 電荷再配列 / スピン自由度 / スピン液体 / 伝導性 / 分子性導体 / 金属ジチオレン錯体 / ジチオレン錯体 / 電子自由度 / 格子自由度 / 分子軌道自由度 / HOMO-LUMO逆転 / 金属ジチオレン錯体塩 / 超伝導 / 電荷整列 / モット絶縁体 / Valence Bond Order / 軌道準位の縮退・逆転 / 超分子化 / 伝導性・磁性 / 電荷不均一化 / 分子性固体 / 有機導体 / 電荷・スピン自由度

Outline of Final Research Achievements

Orbital degeneracy in the two-dimensional molecular solids were examined. (1) Me4P[Pt(dmit)2]2 exhibited the phase transition around 200 K. HOMO and LUMO levels in 50 % of dimers were interchanged below 200 K. The same phenomena were observed in Me4N[Pt(dmit)2]2 and Me4Sb[Pt(dmit)2]2. This result indicates the orbital degeneracy was canceled below the phase transition temperature. (2) The magnetic transition and charge disproportionation were observed at the same transition temperature. (3) In contrast, the interchange of the HOMO and LUMO levels remained below the phase transition temperature of Cs[Pd(dmit)2]2. The vibrational spectroscopy revealed that the competition between several kinds of inter-dimer interactions was canceled below the phase transition temperature. This competition was also observed in EtMe3Sb[Pt(dmit)2]2 at the liquid helium temperature. This result suggests that charge and lattice fluctuation is the driving force of the geometrical frustration.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、無機物のような軌道自由度と、大きな格子揺らぎといった分子由来の特性を組み合わせた、新しい物性を開拓できる可能性が広がった。軌道の縮退は分子同士の距離に比例する尺度で評価できることを明らかにしたので、今後の研究の進展により、単一成分の分子結晶を始めとする様々な伝導体・超伝導体における伝導機構の解明が期待される。スピン液体として注目されてきた現象の作動原理を明らかにし、スピンだけでなく格子や電荷の自由度も重要であることを示した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(Germany)
• [Journal Article] Electrical Resistivity under Uniaxial Pressures of β′′-(bis-ethelenedithio-tetrathiafulvalene)4Pd(CN)4H2O (2020)
  • Author(s): Okii Yuichi、Yamamoto Takashi、Konishi Kensuke、Naito Toshio
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 3 Pages: 034709-034709
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.034709
  • NAID: 210000158043
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic Inhomogeneity in Organic Charge Transfer Salt κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]I Probed by Polarized Femtosecond Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Tsuchiya Satoshi、Kuwae Ryota、Kodama Takumi、Nakamura Yusuke、Kurihara Megumi、Yamamoto Takashi、Naito Toshio、Toda Yasunori
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 6 Pages: 064712-064712
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.064712
  • NAID: 40022254224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Charge and Lattice Fluctuations in Molecule-Based Spin Liquids (2017)
  • Author(s): Yamamoto Takashi、Fujimoto Takashi、Naito Toshio、Nakazawa Yasuhiro、Tamura Masafumi、Yakushi Kyuya、Ikemoto Yuka、Moriwaki Taro、Kato Reizo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-017-13118-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dye-Sensitized Molecular Charge Transfer Complexes: Magnetic and Conduction Properties in the Photoexcited States of Ni(dmit)2 Salts Containing Photosensitive Dyes (2017)
  • Author(s): Yamamoto Ryoma、Yamamoto Takashi、Ohara Keishi、Naito Toshio
  • Journal Title: Magnetochemistry Volume: 3 Issue: 2 Pages: 1-16
  • DOI: 10.3390/magnetochemistry3020020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anisotropic Field Dependence of the Superconducting Transition in the Magnetic Molecular Superconductor κ-(BETS)2FeBr4 (2017)
  • Author(s): S. Fukuoka, S. Yamashita, Y. Nakazawa, T. Yamamoto, H. Fujiwara
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 86 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.014706
  • NAID: 210000134228
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intra- versus Inter-dimer Charge Inhomogeneity in the Triangular Lattice Compounds of β'-Cs[Pd(dmit)2]2: A Degree of Freedom Characteristic of an Interchange of Energy Levels in the Molecular Orbitals (2016)
  • Author(s): T. Yamamoto, M. Tamura, K. Yakushi, and R. Kato
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 85 Issue: 10 Pages: 104711-13
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.104711
  • NAID: 210000134128
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct observation of collective modes coupled to molecular orbital-driven charge transfer (2015)
  • Author(s): T. Ishikawa, S. A. Hayes, S. Keskin, G. Corthey, M. Hada, K. Pichugin, A. Marx, J. Hischt, K. Shionuma, K. Onda, Y. Okimoto, S. Koshihara, T. Yamamoto, H. Cui, M. Nomura, Y. Oshima, M. Abdel-Jawad. R. Kato and R. J. Miller
  • Journal Title: Science Volume: 350 Issue: 6267 Pages: 1501-1505
  • DOI: 10.1126/science.aab3480
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Activation energy for photoconduction in molecular crystals (2015)
  • Author(s): N. Nagayama, T. Yamamoto, and T. Naito
  • Journal Title: CheM Volume: 2 Pages: 74-80
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 縮退に近い軌道を有する 白金ジチオレン錯体塩の相転移 (2019)
  • Author(s): 山本貴, 高杉滉, 平賀大貴, 内藤俊雄, 売市幹大, 手島史綱, 田中清尚, 加藤礼三
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 非ダイマーモット型の有機超伝導体 における 一軸圧縮効果 (2019)
  • Author(s): 山本 貴, 沖井 優一, 東澤 玲央, 内藤 俊雄, 圷 広樹, 中澤 康浩
  • Organizer: 高圧討論会
• [Presentation] Hidden Ordered States Characteristic of Interchange of MO Levels in Molecule-Based Conductors (2018)
  • Author(s): Takashi Yamamoto, Toshio Naito, Yasuhiro Nakazawa, Masafumi Tamura, Kyuya Yakushi and Reizo Kato
  • Organizer: The 8th TOYOTA RIKEN International Workshop, Nagakute, Aichi, Japan, Oct. 24-26, 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Interplay between spin, charge, lattice and orbital in molecule-based frustrated spin system (2018)
  • Author(s): Takashi Yamamoto, Toshio Naito, Yasuhiro Nakazawa, Masafumi Tamura, Kyuya Yakushi and Reizo Kato
  • Organizer: The 43rd International Conference on Coordination Chemistry (ICCC 2018), Sendai, Miyagi, Japan,Jul. 30-Aug. 4, 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] kappa-型(ET)2Cu[N(CN)2]I 塩の物性と二次元電子構造 (2018)
  • Author(s): 嵐育未、山本 貴、中村 祐介、内藤 俊雄
  • Organizer: 第12回分子科学討論会2018福岡（2018年9月10日(月)―13日(木)；福岡国際会議場）
• [Presentation] 分子結晶の電荷の揺らぎを利用した光励起状態に固有の金属状態 (2018)
  • Author(s): 内藤俊雄、山本澪馬、張明楊、山本貴
  • Organizer: 2018年日本化学会中国四国支部大会 愛媛大会
• [Presentation] Me4Sb[Pt(dmit)2]2のラマンスペクトル (2018)
  • Author(s): 平賀 大貴、山本 貴、内藤 俊雄、売市 幹大、加藤 礼三
  • Organizer: 2018年日本化学会中国四国支部大会 愛媛大会
• [Presentation] π共役系を縮小した新規TTP, DTEDT 系導体の合成、構造と物性 (2018)
  • Author(s): 木下 直哉、Mohamad Safuwan bin Alias、白旗 崇、山本 貴、内藤 俊雄、山田 順一、御崎 洋二
  • Organizer: 2018年日本化学会中国四国支部大会 愛媛大会
• [Presentation] HOMO-LUMO逆転した二次元系に特有な磁性と電荷の協奏現象 (2018)
  • Author(s): 山本 貴・内藤 俊雄・藤本 尚史・中澤 康浩・田村 雅史・池本 夕佳・森脇 太郎・薬師 久弥・加藤 礼三
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会2018
• [Presentation] κ型(ET)2Cu[N(CN)2]I塩の物性と二次元電子構造 (2018)
  • Author(s): 山本貴, 中村祐介, 内藤俊雄
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Photo-induced dynamics of Me4P[Pt(dmit)2]2 (2017)
  • Author(s): Tadahiko Ishikawa, Takashi Yamamoto, et. al.
  • Organizer: 6th international Conference on Photoinduced Phase Transtions
  • Place of Presentation: SENDAI INTERNATIONAL CENTER （宮城県 仙台市）
  • Year and Date: 2017-06-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 振動領域時間分解分光から見たMe4P[Pt(dmit)2]2の光誘起ダイナミクス (2017)
  • Author(s): 石川忠彦, 卜澤陽平, 田中誠一, 恩田健, 沖本洋一, 腰原伸也, 山本貴, 野村光城, 加藤礼三
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 （大阪府 豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 振動分光によるMe4N[Pt(dmit)2]2およびMe4P[Pd(dmit)2]2の分子非対称化の研究 (2017)
  • Author(s): 山本 貴，高杉 滉，内藤 俊雄，加藤 礼三
  • Organizer: 第11回分子科学討論会
• [Presentation] Vibrational Spectra of [M(dmit)2] Salts (2017)
  • Author(s): Koh Takasugi, Takashi Yamamoto, Toshio Naito, Reizo Kato
  • Organizer: 12th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] (C7H13NH)[Pd(dmit)2]2およびMe4N[Pt(dmit)2]2の分子振動 (2016)
  • Author(s): 高杉滉, 山本貴, 内藤俊雄
  • Organizer: 日本化学会中四国支部大会
  • Place of Presentation: 香川大学 （香川県 高松市）
  • Year and Date: 2016-11-05
• [Presentation] Uniaxial Strain Effects on β"-type BEDT-TTF salts (2016)
  • Author(s): OKII, Yuichi; YAMAMOTO, Takashi; NAITO, Toshio; KONISHI, Kensuke
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都府・京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] 光照射下の銅 (II)ジチオレン錯体塩の磁性 ・伝導 (2015)
  • Author(s): 野間博貴 , 小原敬士 , 山本 貴, 内藤俊雄
  • Organizer: 2015年 日本化学会中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2015-11-14
• [Presentation] 光照射下におけるBPY[Ni(dmit)2]6・3CH3CN単結晶の伝導挙動 (2015)
  • Author(s): 山本 澪馬, 山本 貴, 内藤 俊雄
  • Organizer: 2015年 日本化学会中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2015-11-14
• [Presentation] 高い光伝導を示すNMQ[Ni(dmit)2]の伝導機構に関する研究 (2015)
  • Author(s): 長山直樹、山本貴、内藤俊雄
  • Organizer: 2015年 日本化学会中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2015-11-14
• [Presentation] κ-(ET)2Cu[N(CN)2] Iの多様な物性 (2015)
  • Author(s): 中村祐介、山本 貴、内藤俊雄、小西健介
  • Organizer: 第9回分子科学討論会2015
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都・目黒区）
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Book] “Diversity in the Electronic Phase due to Interchange of MO Levels in [M(dmit)2] Anion Salts (M = Pd and Pt)” in Functional Materials: Advances and Applications in Energy Storage and Conversion (2018)
  • Author(s): T. Yamamoto
  • Total Pages: 73
  • Publisher: Pan Stanford Publishing
  • ISBN: 9780429468131
• [Remarks] 分子結晶におけるスピン液体の起源を解明
  • URL: https://www.ehime-u.ac.jp/data_relese/data_relese-64678/
• [Remarks] 分子結晶におけるスピン液体の起源を解明
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2017/171010/
• [Remarks] 分子結晶におけるスピン液体の起源を解明
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2017/
• [Remarks] 分子が変形する様子を2兆分の1秒刻みでコマ撮り撮影―光機能性物質の動作メカニズム解明に成功―
  • URL: http://www.titech.ac.jp/news/2015/032959.html