分子性固体における磁性・電子状態とミュオン －第一原理計算による研究－

• Project Area: Frontier of Materials, Life and Elementary Particle Science Explored by Ultra Slow Muon Microscope
• Project/Area Number: 26108720
• 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: National Institute for Materials Science (2015); The Institute of Physical and Chemical Research (2014)
• Principal Investigator: 圓谷 貴夫 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ICYS-NAMIKI, ICYS研究員 (00619869)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2015: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2014: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 有機導体 / 水素結合 / 量子スピン液体 / 第一原理計算 / 分子性導体 / スピン液体 / 電子状態 / バンド構造

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、密度汎関数理論に基づく第一原理計算を主たるアプローチとして、水素結合を含む分子性導体κ-H_3(Cat-EDT-TTF)_2の構造と電子状態について取り組んだ。この物質は、常圧ではダイマーあたりS=1/2を持つダイマー型Mott絶縁体と考えられ、低温まで磁気秩序を起こさず量子スピン液体状態を示す。他の多くの分子性導体とは対照的に、伝導層間に孤立した絶縁層が存在せず、異なる伝導層に属する２つのCat-EDT-TTF 分子ユニット間で１つの水素(H) を共有する特異な構造を有する。 第一原理計算手法を用いてκ-H3(Cat-EDT-TTF)2の常圧におけるバンド構造と分子間で共有されたHのポテンシャル面を求めた。得られたバンド構造から２次元面内の三角格子の異方性を調べるために、ダイマー間の有効飛び移り積分を求めた結果、b+c方向の飛び移り積分が他の方向よりも大きいことがわかった。すなわち、この系は１次元スピン鎖が２つの鎖間相互作用で結合された系とみなせる。また、伝導層間の３次元的な飛び移り積分は面内のものと比較して無視できず、典型的な2次元分子性導体と比べて大きい。さらに、共有されたHの役割を明らかにするために、Hを変位させた状態から構造最適化を行った結果、Hが片方の酸素の方向に局在化した場合に、異なる分子間で電荷の不均一化が起こることがわかった。いくつかの超格子を仮定し、Hの並び方を変えた秩序パターンによっては、空間反転対称性を破り強誘電体へ転移する可能性を見出した。最近、分子間で共有されたHを重水素(D)置換すると、低温でDの局在化と同時に電荷秩序が生じ、強い格子変形を伴い、非磁性状態へ転移することが実験から報告されている。水素の量子効果の役割や観測されている低温D秩序相との対応、S体とSe体でのH/Dの存在状態の違いについても議論した。分子性導体の磁気的性質を議論することを目的に、スピン分極を考慮した計算手法の構築にも取り組んだ。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Theory of valence transition in BiNiO3 (2016)
  • Author(s): M. Naka, H. Seo, and Y. Motome
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 116 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.056402
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] First-principles study of hydrogen-bonded molecular conductor kappa-H3(Cat-EDT-TTF/ST)2 (2015)
  • Author(s): T. Tsumuraya, H. Seo, R. Kato, and T. Miyazaki
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 92 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.035102
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photo-Induced Phase Transition in Charge Order Systems -Charge Frustration and Interplay with Lattice- (2015)
  • Author(s): H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo, and S. Ishihara
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 84 Issue: 11 Pages: 113702-113702
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.113702
  • NAID: 210000133715
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fragment Model Study of Molecular Multi-Orbital System X[Pd(dmit)2]2 (2015)
  • Author(s): H. Seo, T. Tsumuraya, M. Tsuchiizu, T. Miyazaki, R. Kato
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn Volume: 84 Issue: 4 Pages: 044716-044716
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.044716
  • NAID: 210000133530
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Long-Period Charge Correlations in Charge-Frustrated Molecular θ-(BEDT-TTF)2X (2014)
  • Author(s): 中惇、妹尾仁嗣
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 83 Issue: 5 Pages: 53706-53706
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.053706
  • NAID: 210000133065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic Field Effect in One-Dimensional Charge Ordering Systems (2014)
  • Author(s): Yuichi Otsuka, Hitoshi Seo, and Yukitoshi Motome
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Issue: 8 Pages: 083703-083703
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.083703
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photo-induced dynamics in frustrated charge ordered systems (2014)
  • Author(s): Hiroshi Hashimoto, Hiroaki Matsueda, Hitoshi Seo, and Sumio Ishihara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Issue: 12 Pages: 123703-123703
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.123703
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 水素結合系κ-(H/D)_3(Cat-EDT-TTF/ST)_2の構造と電子状態 -第一原理計算による研究- (2016)
  • Author(s): 圓谷 貴夫, 妹尾 仁嗣, 宮崎 剛
  • Organizer: ISSPワークショップ：分子性物質におけるπ電子―水素相関機能物性
  • Place of Presentation: 東京大学 物性研究所
  • Year and Date: 2016-03-29
• [Presentation] 分子性スピン液体物質X[Pd(dmit)_2]_2およびH/D_3(Cat-EDT-TTF/ST)_2に対する第一原理計算 (2016)
  • Author(s): 圓谷 貴夫
  • Organizer: 理研シンポジウム：ミュオン科学応用の最先端
  • Place of Presentation: 理化学研究所 和光キャンパス
  • Year and Date: 2016-02-16
• [Presentation] First-principles study of molecular-based spin liquid materials: X[Pd(dmit)2]2 and H/D3(Cat-EDT-TTF/ST)2 (2016)
  • Author(s): T. Tsumuraya, H. Seo, M. Tsuchiizu, R. Kato, T. Miyazaki
  • Organizer: International USMM & CMSI Workshop
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス
  • Year and Date: 2016-01-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素結合を含む分子性導体における電荷秩序と誘電性 に関する第一原理計算による研究 (2015)
  • Author(s): 圓谷 貴夫, 妹尾 仁嗣, 加藤 礼三, 宮崎 剛
  • Organizer: 第9回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス
  • Year and Date: 2015-11-13
• [Presentation] Electronic and structural properties of hydrogen-bonded molecular conductor kappa-H_3(Cat-EDT-TTF/ST)_2 (2015)
  • Author(s): T. Tsumuraya, H. Seo, R. Kato, T. Miyazaki
  • Organizer: DFT2015
  • Place of Presentation: ハンガリー デブレッセン市
  • Year and Date: 2015-08-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-Principles Study of Electronic States of Molecular Conductors (2014)
  • Author(s): Takao Tsumuraya
  • Organizer: 1st RIKEN-Sophia Joint Symposium:Recent Progresses on the Muon-Site Estimation
  • Place of Presentation: 上智大学（東京都四谷）
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-16
  • Invited
• [Presentation] 分子性導体 β'-X[Pd(dmit)_2]_2及びκ-H_3(Cat-EDT-TTF)_2に対する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 圓谷貴夫、妹尾仁嗣、土射津昌久、加藤礼三、宮崎剛
  • Organizer: 第8回物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス シグマホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2014-11-21 – 2014-11-22
  • Invited
• [Presentation] ESR Studies of the Molecular Spin Liquid System EtMe_3Sb[Pd(dmit)_2]_2 (2014)
  • Author(s): Yugo Ohshima, Takao Tsumuraya, Reizo Kato
  • Organizer: Joint Conference of APES2014, IES and SEST2014
  • Place of Presentation: Todaiji Culture Center, Nara
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-16
  • Invited
• [Presentation] 三角格子をもつ分子性導体β'-X[Pd(dmit)_2]_2に対する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 圓谷貴夫、妹尾仁嗣、土射津昌久、宮崎剛、加藤礼三
  • Organizer: 新学術領域研究 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学WPI棟
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
  • Invited
• [Presentation] Electronic Structure and Role of Hydrogen Bonding in Molecular Conductors, κ-H_3(Cat-EDT-TTF)_2 and κ-H_3(Cat-EDT-STF)_2 (2014)
  • Author(s): Takao Tsumuraya, Hitoshi Seo, Reizo Kato, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: Computational Science Workshop 2014
  • Place of Presentation: エポカルつくば（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-08-20 – 2014-08-22
  • Invited
• [Presentation] Cation Dependence of the Electronic States in Molecular Dimer-Mott Insulators β'-(Cation)[Pd(dmit)2]2 (2014)
  • Author(s): Takao Tsumuraya, Hitoshi Seo, Masahisa Tsuchiizu, Reizo Kato, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: Computational Science Workshop 2014
  • Place of Presentation: エポカルつくば（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-08-20 – 2014-08-22
  • Invited
• [Presentation] First-principles study of molecular conductors κ-H3(Cat-EDT-TTF/STF)2 electronic structure and role of hydrogen bonding (2014)
  • Author(s): Takao Tsumuraya, Hitoshi Seo, Reizo Kato, Tsuyoshi Miyazaki
  • Organizer: Gordon Research Conference "Conductivity & Magnetism in Molecular Materials"
  • Place of Presentation: Lewiston, MA, USA
  • Year and Date: 2014-08-03 – 2014-08-08
  • Invited
• [Remarks] NIMS研究者データベース Samurai 圓谷 貴夫
  • URL: http://samurai.nims.go.jp/TSUMURAYA_Takao-j.html
• [Remarks] 理化学研究所 加藤分子物性研究室
  • URL: http://www.riken.jp/lab-www/molecule/index.html