Quantum pi-electron liquid crystals created by molecular dimer dipoles

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04459
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 分子性有機導体 / 量子スピン液体 / ダイマーダイポール / 量子パイ電子液晶 / 量子電荷液体

Outline of Research at the Start

分子ダイマー構造を有する強相関電子系分子性有機物質は，特徴的な格子自由度と強相関パイ電子系の電荷・スピン自由度が複合することで超伝導から量子スピン液体状態まで多彩な電子基底状態を生み出している．
本研究では，遠赤外－赤外分光測定，非弾性中性子散乱実験などの広帯域な低エネルギー分光実験手法により，分子ダイマーをミクロな構成単位とした分子性有機物質系での量子液晶状態発現を検証し，特にダイマー内電荷自由度を起源とする量子スピン液体の機構解明に取り組む．

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κ-(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．２０２３年度は，同物質の中性子非弾性散乱による電荷，スピン状態と分子格子との結合による低エネルギー分子格子ダイナミクスの測定とその解析，物理モデルとの比較に成果があった．中性子散乱実験はフランス，グルノーブルのラウエ-ランジュバン研究所において２０２１－２２年度にリモート実験によって国際共同研究として実施し，その結果の解析と理論モデルの構築，他の物性報告との対比によって進めた．その結果，この物質で観測される６K異常と呼ばれる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，その現象説明として，分子ダイマー上に発現する電荷ダイポールによる電荷揺らぎが格子と結合した結果であると結論付けた．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解析結果を得た．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整合する．これらの結果をもとに，エックス線照射によるランダムネスを導入した試料を準備し，２０２３年度末に再びラウエ-ランジュバン研究所において中性子非弾性散乱実験を行い，６K異常に対するランダムネスの影響についての研究を進めた．その結果，６K異常はランダムネスにより抑制される一方で，３K以下でリラクサー的なフォノンの緩和現象が観測された．これらの結果から分子ダイマーダイポールが誘起する量子的クラスター，液晶状態の統一的な理解に向けた基礎となる成果を得ることができた．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5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/MPI-CPfS(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Institute Laue Langevin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Institute Laue-Langevin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Goethe University, Frankfurt/MPI-pkfs, Dresden(ドイツ)
• [Journal Article] Electron spin resonance spectroscopic evidence of the transition to a spin-singlet state in the monomer Mott insulator (BEDT-TTF)Cu[N(CN)2]2 (2024)
  • Author(s): Nuryadin Muhammad Khalish、Oshima Yugo、Yoneyama Naoki、Iguchi Satoshi、Sasaki Takahiko
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 109 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.125115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Combined experimental and theoretical studies on glasslike transitions in the frustrated molecular conductors θ-(BEDT-TTF)2MM'(SCN)4 (2024)
  • Author(s): Saito Yohei、Ganter Owen、Shang Chao、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Winter Stephen M.、Muller Jens、Lang Michael
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 6 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.6.023003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microscopic evidence for preformed Cooper pairs in pressure-tuned organic superconductors near the Mott transition (2023)
  • Author(s): Furukawa Tetsuya、Miyagawa Kazuya、Matsumoto Mitsunori、Sasaki Takahiko、Kanoda Kazushi
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 2 Pages: 023615-023615
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.023165
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phonon renormalization effects accompanying the 6 K anomaly in the quantum spin liquid candidate κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 (2022)
  • Author(s): Matsuura Masato、Sasaki Takahiko、Naka Makoto、Muller Jens、Stockert Oliver、Piovano Andrea、Yoneyama Naoki、Lang Michael
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.l042047
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monomer Mott Insulator (BEDT-TTF)Cu[N(CN)₂]₂ as a Potential Nodal Line System (2022)
  • Author(s): Yoneyama Naoki、Nuryadin Muhammad Khalish、Tsumuraya Takao、Iguchi Satoshi、Takei Takahiro、Kumada Nobuhiro、Nagao Masanori、Tanaka Isao、Sasaki Takahiko
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 11 Pages: 113704-113704
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.113704
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical Conductivity Spectra of Charge-Crystal and Charge-Glass States in a Series of θ-Type BEDT-TTF Compounds (2022)
  • Author(s): Hashimoto Kenichiro、Kobayashi Ryota、Ohkura Satoshi、Sasaki Satoru、Yoneyama Naoki、Suda Masayuki、Yamamoto Hiroshi M.、Sasaki Takahiko
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 6 Pages: 831-831
  • DOI: 10.3390/cryst12060831
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparison of the charge-crystal and charge-glass state in geometrically frustrated organic conductors studied by fluctuation spectroscopy (2022)
  • Author(s): Thomas Tatjana、Thyzel Tim、Sun Hungwei、Muller Jens、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Yamamoto Hiroshi M.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 20 Pages: 205111-205111
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.205111
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Artificial non-magnetic disorder effect and devastation to the FFLO phase in layered organic superconductor κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 (2024)
  • Author(s): Shiori Sugiura, Shusaku Imajo, Koichi Kindo, Takahiko Sasaki
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直方晶κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Clの赤外磁気光学カー効果 (2024)
  • Author(s): 井口敏, 小林広樹, 池本夕佳, 古川哲也, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 常圧有機ディラック電子系α-(BETS)2I3における熱電効果と熱伝導 (2024)
  • Author(s): 古川哲也, 西川哲也, 井口敏, 加藤拓洋, 小林拓矢, 谷口弘三, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 有機伝導体κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3の強磁場超音波測定 (2023)
  • Author(s): 髙橋大典, 杉浦栞理, 今城周作, 野村肇宏, 浦井瑞紀, 宮川和也, 金道浩一, 小濱芳允， 鹿野田一司, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第７８回年次大会
• [Presentation] 層状有機超伝導体β”-(ET)2[(H2O)(NH4)2Cr(C2O4)3]・18-crown-6における層間インコヒーレント伝導 (2023)
  • Author(s): 杉浦栞理, 佐々木孝彦, 寺嶋太一, 宇治進也, 圷広樹, 中澤康浩, Toby Blundell, Lee Martin
  • Organizer: 日本物理学会第７８回年次大会
• [Presentation] Noise spectroscopy in layered organic superconductor κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 (2023)
  • Author(s): Shiori Sugiura, Takahiko Sasaki, Tim Thyzel and Jense Mueller
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inelastic neutron scattering study on lattice dynamics at the 6K anomaly in the quantum spin liquid candidate κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 (2023)
  • Author(s): Masato Matsuura, Takahiko Sasaki, Makoto Naka, Jens Mueller, Oliver Stockert, Andrea Piovano, Naoki Yoneyama, Michael Lang
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 異方性結晶における偏光変調法を用いた赤外磁気光学カー効果測定III (2023)
  • Author(s): 井口敏, 小林広樹, 池本夕佳, 古川哲也, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会 ２０２３年春季大会
• [Presentation] 層状有機超伝導体κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2における抵抗ノイズ測定 (2023)
  • Author(s): 杉浦栞理, 佐々木孝彦, T. Thyzel, J. Mueller
  • Organizer: 日本物理学会 ２０２３年春季大会
• [Presentation] Nonmagnetic disorder effect to the FFLO phase in layered organic superconductor k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 (2023)
  • Author(s): Shiori Sugiura, Shusaku Imajo, Motoi Kimata1, Shinya Uji, Taich Terashima, Koichi Kindo, Takahiko Sasaki
  • Organizer: American Physical Society March meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子スピン液体候補物質κ-(BEDT-TTF)2Cu2CN3の6K異常における格子ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 松浦直人, 佐々木孝彦, 中惇, Jens Mueller, Michael Lang, Oliver Stockert and A. Piovano
  • Organizer: 日本物理学会２０２２年秋季大会
• [Presentation] 層状反強磁性モット絶縁体κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Clにおける熱伝導 (2022)
  • Author(s): 古川哲也, 谷口弘三, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会２０２２年秋季大会
• [Presentation] 異方性結晶における偏光変調法を用いた赤外磁気光学カー効果測定 I (2022)
  • Author(s): 井口敏, 池本夕佳, 小林広樹, 北澤英明, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会２０２２年秋季大会
• [Presentation] 異方性結晶における偏光変調法を用いた赤外磁気光学カー効果測定 II (2022)
  • Author(s): 小林広樹, 井口敏, 池本夕佳, 北澤英明, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会２０２２年秋季大会
• [Presentation] Randomness Effect on the Correlated p-electrons in Molecular Organic Superconductors with Quenched Disorder Introduced by X-ray Irradiation (2022)
  • Author(s): T. Sasaki, N. Sato, T. M. Moriya, S. Sugiura, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, and N. Yoneyama
  • Organizer: 29th International conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inelastic neutron scattering study on lattice dynamics at the 6K anomaly in the quantum spin liquid candidate k-(BEDT-TTF)2Cu2CN3 (2022)
  • Author(s): M. Matsuura, Takahiko Sasaki, Makoto Naka, Jens Mueller, Oliver Stockert, and Andrea Piovano, Naoki Yoneyama, Michael Lang
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東北大学金属材料研究所低温電子物性学研究部門
  • URL: https://cond-phys.imr.tohoku.ac.jp/index.html
• [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/