分子ダイマーダイポールが創成する量子スピン/電荷液晶

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 20H05144
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 分子性有機導体 / 量子電荷液体 / 量子スピン液体 / ダイマーダイポール / 分子性有機物質 / 量子電荷液晶

Outline of Research at the Start

本研究では，強相関電子系分子性有機物質，特に分子ダイマー構造を有するBEDT-TTF 系電荷移動錯体における分子ダイマー配向パイ電子の新しい量子物性を確立し，分子性有機物質における新しい量子液晶物質・物性の開拓を推進する．特に，量子スピン液体物質において，分子ダイマー配向に制限された電荷ゆらぎ，分子格子との結合を起源とする複合的な量子的電荷ダイポール/スピン液体・液晶状態を明らかにする．本研究の成果として「量子液晶」の概念をパイ電子系で具現化させる．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，分子性有機物質である量子スピン液体k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 とその周辺物質を対象として，スピン非秩序状態における電荷（ダイマーダイポール）揺らぎ－分子格子フォノン結合によるクラスター化・液晶化形成を低エネルギー分光手法により実験的に明らかにすることを目的としている．２０２１年度は，同物質に対する遠赤外－赤外反射分光手法により電荷揺らぎを反映する低エネルギー領域での光学スペクトル測定を行い，モット絶縁体状態であるはずの量子スピン液体状態において，明瞭な光学ギャップが開かずに電荷が揺らいだままである兆候が光学伝導度スペクトルに観測された．この結果は，本物質の量子スピン液体状態に特徴的な電荷揺らぎ（ダイマーダイポール）が励起スペクトルとして現れることを示している．この結果は，量子液晶の構成要素と考えるダイマーダイポールのゆらぎが量子スピン液体状態形成の要因である可能性を示すものである．この電荷状態については，分子格子との結合も合わせて考える必要がある．このため非弾性中性子散乱実験による格子ダイナミクス測定を計画し，中性子実験施設（グルノーブルILL,フランス）におけるリモート実験を国際共同研究として実施した．この結果，この物質で６K異常として種々の物理量に異常が観測される温度よりも高温側では，異常なフォノンダンピングが観測された．これはダイマーダイポールによる電荷揺らぎが格子と結合した結果を反映した現象と考えられる．一方で６K以下では，フォノン構造が明瞭になり，電荷揺らぎが凍結しフォノンとの結合が弱くなっていることを示唆する結果を得た．この観測は６K異常が非磁性低温秩序（VBS）相への相転移であるとする報告とも対応する．現在，理論研究者と微視的機構の検討を行いフォノン異常と電荷揺らぎ/スピン液体との相関についての論文を準備している．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Goethe University Frankfurt/Max Planck Institute for CPfS(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Institut Laue-Langevin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Goethe University Frankfurt/MPI for Chemical Physics of Solid(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Institut Laue-Langevin(フランス)
• [Journal Article] Involvement of structural dynamics in charge-glass formation in strongly frustrated molecular metals (2022)
  • Author(s): Thomas Tatjana、Saito Yohei、Agarmani Yassine、Thyzel Tim、Lonsky Martin、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Lang Michael、M?ller Jens
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 4 Pages: 041114-041114
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l041114
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic Torque due to Anisotropic Diamagnetism in Neutral BEDT-TTF Crystals (2021)
  • Author(s): Uji Shinya、Terashima Taichi、Sugiura Shiori、Iguchi Satoshi、Sasaki Takahiko、Hashimoto Kenichiro、Shimozawa Masaaki、Yoneyama Naoki、Kato Reizo
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 11 Pages: 113708-113708
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.113708
  • NAID: 210000159428
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of unconventional spin glass-like state in k-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl by introducing weak randomness (2021)
  • Author(s): Yamamoto Riku、Furukawa Tetsuya、Miyagawa Kazuya、Sasaki Takahiko、Kanoda Kazushi、Itou Tetsuaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 15 Pages: 155107-155107
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.155107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elucidation of local structure deformation in k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br by x-ray fluorescence holography (2021)
  • Author(s): Ang Artoni Kevin R.、Marumi Riho、Sato-Tomita Ayana、Kimura Koji、Happo Naohisa、Akagi Kazuto、Sasaki Takahiko、Hayashi Kouichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 21 Pages: 214106-214106
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.214106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Charge Ordering and pi-d Interaction in Electron Doped 3/4-Filling Molecular System a"-(BEDT-TTF)2Rb2xCo(SCN)4(x = 0.6) (2021)
  • Author(s): Iguchi Satoshi、Yamada Syuhei、Kobayashi Ryota、Morita Koutaro、Kudo Yuki、Kurosu Megumi、Yoneyama Naoki、Ikemoto Yuka、Moriwaki Taro、Sasaki Takahiko
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 7 Pages: 074701-074701
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.074701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strongly correlated superconductivity in a copper-based metal-organic framework with a perfect kagome lattice (2021)
  • Author(s): Takenaka T.、Ishihara K.、Roppongi M.、Miao Y.、Mizukami Y.、Makita T.、Tsurumi J.、Watanabe S.、Takeya J.、Yamashita M.、Torizuka K.、Uwatoko Y.、Sasaki T.、Huang X.、Xu W.、Zhu D.、Su N.、Cheng J.-G.、Shibauchi T.、Hashimoto K.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 12
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3996
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Inelastic neutron scattering experiments of quantum spin liquid molecular material (2022)
  • Author(s): Takahiko Sasaki
  • Organizer: QLC meeting 2021
• [Presentation] エックス線照射により分子欠陥を導入した強相関有機超伝導体の赤外分光測定 (2022)
  • Author(s): 佐藤直道，桐野友輝，井口敏，古川哲也，杉浦栞理，米山直樹，池本夕佳，森脇太郎，佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第７７回年次大会
• [Presentation] Lattice dynamics coupled to charge and spin degrees of freedom in the molecular dimer-Mott insulator (2022)
  • Author(s): Takahiko Sasaki
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子性有機導体k-(d8-BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brのエックス線照射効果 (2021)
  • Author(s): 佐々木孝彦, 佐藤直道, 米山直樹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Charge and spin cluster/liquid crystal state and superconductivity induced by coupling between phonon and the charge/spin liquid state in strongly correlated pi-electrons system (2020)
  • Author(s): Takahiko Sasaki
  • Organizer: Quantum Liquid Crystal A01 Kickoff meeting
  • Invited
• [Presentation] 傾斜エックス線照射した分子性有機導体 k-(BEDT-TTF)2Xの赤外分光 (2020)
  • Author(s): 佐々木孝彦, 佐藤直道, 古川哲也, 杉浦栞理, 井口敏, 米山直樹, L. Kang, 赤木和人, 池本夕佳, 森脇太郎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Nanoscale polarized clusters in a molecular dimer-Mott insulator as precursors of electronic ferroelectricity probed by conductance noise spectroscopy (2020)
  • Author(s): Takahiko Sasaki
  • Organizer: Quantum Liquid Crystal meeting 2020
  • Invited
• [Presentation] エックス線照射した分子性ダイマーモット絶縁体κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3における赤外分光 (2020)
  • Author(s): 桐野友輝, 佐藤直道, 井口敏, 古川哲也, 杉浦栞理, 米山直樹, 池本夕佳, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [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/index.html