プロトン-強相関パイ電子複合系における協働的電荷ダイナミクスのノイズ分光

• Project Area: Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function
• Project/Area Number: 16H00954
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐々木 孝彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20241565)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2017: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2016: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 強相関パイ電子系 / ノイズ分光 / 電荷ダイナミクス / プロトン運動 / 量子スピン液体 / 物性実験 / 有機導体 / 強相関電子系

Outline of Annual Research Achievements

平成２９年度は，平成２８年度に構築したバイアス電圧，電流印加状態での電気伝導ノイズ測定システムを使用して分子性電荷秩序絶縁体α”-(BEDT-TTF)2RbCo (SCN)4，ダイマーモット絶縁体β’-(BEDT-TTF)2ICl2におけるバイアス電圧印加下における非線形伝導測定および非線形伝導状態でのノイズ測定を行った．この結果は，海外共同研究者であるドイツの研究グループと解析中であるが，分子内エチレン基の運動，構造変化とパイ電子運動の自由度が結合した振る舞いが見いだされた．さらに本研究で最も重要なターゲットであるプロトン－強相関パイ電子複合系物質κ-H3(Cat-EDT-TTF)2の伝導，誘電特性および熱伝導度を測定した結果，極低温までプロトンの量子揺らぎが存在し，これを起源とする量子常誘電性が表れていることを明らかにした．このプロトン量子常誘電性と連動してパイ電子が示す磁性も秩序化しない量子常磁性状態，すなわち量子スピン液体状態となることが明らかになり，電子とプロトンが連動したダイナミクスを有する新しいメカニズムによる量子液体状態が実現していることを見出した．この結果は，量子スピン液体状態を安定化させるメカニズムとしてスピン自由度に加えて本研究でのプロトン自由度など他の自由度とのカップリングを利用するという新たな指針を提供したという重要な意味があった．これらの結果は，熱伝導度を測定した東大物性研究所グループ，理論研究グループとの共同研究として高いインパクトを持つ雑誌(Nature Commun.)に掲載となった．
さらにこの複合自由度が作用している電荷のダイナミクスを本課題で構築した伝導ノイズ測定によるパイ電子ダイナミクス観測，赤外分光測定によるパイ電子低エネルギー励起観測を実施し，それぞれからプロトン運動と連動していると考えられる特徴的な遅いダイナミクスが観測された．

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ゲーテ大学フランクフルト(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ゲーテ大学（フランクフルト）(ドイツ)
• [Journal Article] Quantum-disordered state of magnetic and electric dipoles in an organic Mott system (2017)
  • Author(s): Shimozawa M.、Hashimoto K.、Ueda A.、Suzuki Y.、Sugii K.、Yamada S.、Imai Y.、Kobayashi R.、Itoh K.、Iguchi S.、Naka M.、Ishihara S.、Mori H.、Sasaki T.、Yamashita M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01849-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fine-tuning the Mott metal-insulator transition and critical charge carrier dynamics in molecular conductors. (2017)
  • Author(s): J. Muller, B. Hartmann and T. Sasaki
  • Journal Title: Philosophical Magazine Volume: 印刷中 Issue: 36 Pages: 3477-3494
  • DOI: 10.1080/14786435.2017.1296200
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystallization and vitrification of electrons in a glass-forming charge liquid (2017)
  • Author(s): Sasaki S.、Hashimoto K.、Kobayashi R.、Itoh K.、Iguchi S.、Nishio Y.、Ikemoto Y.、Moriwaki T.、Yoneyama N.、Watanabe M.、Ueda A.、Mori H.、Kobayashi K.、Kumai R.、Murakami Y.、M?ller J.、Sasaki T.
  • Journal Title: Science Volume: 357 Issue: 6358 Pages: 1381-1385
  • DOI: 10.1126/science.aal3120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dimer-Mott and charge-ordered insulating states in the quasi-one-dimensional organic conductors delta(P)'- and delta(C)'-(BPDT-TTF)(2)ICl2 (2017)
  • Author(s): Kobayashi, R. and Hashimoto, K. and Yoneyama, N. and Yoshimi, K. and Motoyama, Y. and Iguchi, S. and Ikemoto, Y. and Moriwaki, T. and Taniguchi, H. and Sasaki, T.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 11 Pages: 1151121-8
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.115112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric-field-induced intradimer charge disproportionation in the dimer-Mott insulatorβ'-(BEDT-TTF)2ICl2. (2017)
  • Author(s): Yuma Hattori, Satoshi Iguchi,Takahiko Sasaki, Shinichiro Iwai, Hiromi Taniguchi and Hideo Kishida
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 95 Issue: 8 Pages: 0851491-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.085149
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] プロトン－強相関パイ電子複合系における協働的電荷ダイナミクスのノイズ分光 (2017)
  • Author(s): 佐々木孝彦
  • Organizer: 新学術領域研究「分子アーキテクトニクス」第８回領域会議
• [Presentation] プロトン－強相関パイ電子複合系における協働的電荷ダイナミクスのノイズ分光 (2017)
  • Author(s): 佐々木孝彦
  • Organizer: 新学術領域研究「分子アーキテクトニクス」第９回領域会議
• [Presentation] BEDT-TTF系電荷秩序絶縁体へのエックス線照射効果 (2017)
  • Author(s): 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] κ-H3(Cat-EDT-TTF)2におけるプロトン揺らぎがもたらすπ電子サーモクロミズムII (2016)
  • Author(s): 伊藤桂介, 橋本顕一郎, 小林亮太, 上田顕, 森初果, 井口 敏, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ダイマーモット絶縁体β'-(BEDT-TTF)2ICl2の輸送ノイズ測定 III (2016)
  • Author(s): 井口敏, 黒子めぐみ, 谷口弘三, B. Hartmann, J. Mueller, 谷口弘三, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Remarks] 東北大学金属材料研究所低温電子物性学研究部門HP
  • URL: http://cond-phys.imr.tohoku.ac.jp/
• [Remarks] 東北大学金属材料研究所低温電子物性学研究部門
  • URL: http://cond-phys.imr.tohoku.ac.jp/