Exploration of Electronic Properties under Multiple Extreme Conditions in Condensed Conjugation Molecular Materials

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Condensed Conjugation Molecular Physics and Chemistry: Revisiting "Electronic Conjugation" Leading to Innovative Physical Properties of Molecular Materials
• Project/Area Number: 20H05869
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 橋本 顕一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00634982)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 庄子 良晃 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40525573) ; 水上 雄太 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (80734095)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Keywords: 高密度共役 / 電荷ガラス / 非線形伝導 / 幾何学的フラストレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「空隙をデザインし、空間を電子で埋める」という概念に基づき、分子構造・配列と電子密度を制御することで、電子の局在性と遍歴性を自在制御し、未踏電子機能を提唱・実現することである。そのために当該年度は、幾何学的フラストレーションを内包した高密度共役物質として、非線形伝導を示す電荷ガラス物質である２次元三角格子BEDT-TTF分子錯体に着目した研究を行い、電荷ガラス形成に構造ガラス形成も重要な役割を担っていることを明らかにした。本結果は、電荷ガラス形成物質が示す非線形伝導の起源を解明するうえで、重要な知見を与えるものと考えられる。
また、当該年度は、高密度分子集合体の創製に向けたビルディングブロックとして、π共役系の炭素-炭素結合を等電子的かつ分極したホウ素-窒素結合で置き換えたBN置換π共役分子を合成し、室温・溶液状態での特異な長寿命発光特性を見いだすとともに、有機EL素子のコンポーネントとして有用であることを明らかにした。また、水にも安定なテトラアリールジボラン誘導体を合成し、この化合物が青-オレンジの二重蛍光を示すこと、および溶液中の粘度や固体状態での運動性を反映して二重蛍光の相対強度が変化することを見いだした。さらに、含ホウ素π共役マクロサイクルを合成し、分子構造と反応性の検討を通じて、ファンデルワールス力を超える強いボラン-オレフィン相互作用が働くことを実験的に初めて実証した。これらの成果は、典型元素の性質を活かした高密度分子集合体を創製するための重要な土台と位置付けられる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

電荷ガラス形成機構の理解や典型元素の性質を活かした高密度分子集合体を創製するための重要な土台を構築するに至っているため。

Strategy for Future Research Activity

今後は、幾何学的フラストレーションを内包した高密度共役物質として，２次元の金属有機構造体(MOF)や共有結合性有機構造体(COF)の新構造および物性開拓に取り組む。特に、空隙が電子で埋められた高密度MOFおよびCOFを対象に、外場摂動も相乗的に利用することで、遍歴性を持った電子と局在性を持った電子の自在制御を試みる。

Research Products

• [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、Muller Jens
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 041114
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L041114
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermodynamic evidence for a field-angle-dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid (2022)
  • Author(s): Tanaka O.、Mizukami Y.、Harasawa R.、Hashimoto K.、Hwang K.、Kurita N.、Tanaka H.、Fujimoto S.、Matsuda Y.、Moon E.-G.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 18 Pages: 429～435
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01488-6
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bringing out the potential of organoboron compounds by designing the chemical bonds and spaces around boron (2022)
  • Author(s): Shoji Yoshiaki、Kashida Junki、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Pages: 4420～4434
  • DOI: 10.1039/D2CC00653G
• [Journal Article] A carbon-functionality-appended diborylacetylene available for a component of organic synthesis and OLEDs (2022)
  • Author(s): Tsukada Tetsuyoshi、Shoji Yoshiaki、Takenouchi Kumiko、Taka Hideo、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Pages: 4973～4976
  • DOI: 10.1039/D2CC01159J
• [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 Pages: 113708
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.113708
• [Journal Article] Tuning the Parity Mixing of Singlet-Septet Pairing in a Half-Heusler Superconductor (2021)
  • Author(s): Ishihara K.、Takenaka T.、Miao Y.、Mizukami Y.、Hashimoto K.、Yamashita M.、Konczykowski M.、Masuki R.、Hirayama M.、Nomoto T.、Arita R.、Pavlosiuk O.、Wisniewski P.、Kaczorowski D.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 11 Pages: 041048
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041048
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of Borane-Olefin Proximity Interaction Governing the Structure and Reactivity of Boron‐Containing Macrocycles (2021)
  • Author(s): Murata Yukihiro、Matsunagi Kenta、Kashida Junki、Shoji Yoshiaki、Ozen Cihan、Maeda Satoshi、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Pages: 14630～14635
  • DOI: 10.1002/anie.202103512
• [Journal Article] An Element‐Substituted Cyclobutadiene Exhibiting High‐Energy Blue Phosphorescence (2021)
  • Author(s): Shoji Yoshiaki、Ikabata Yasuhiro、Ryzhii Ivan、Ayub Rabia、El Bakouri Ouissam、Sato Taiga、Wang Qi、Miura Tomoaki、Karunathilaka Buddhika S. B.、Tsuchiya Youichi、Adachi Chihaya、Ottosson Henrik、Nakai Hiromi、Ikoma Tadaaki、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Pages: 21817～21823
  • DOI: 10.1002/anie.202106490
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Air- and Water-Stable B4N4-Heteropentalene Serving as a Host Material for a Phosphorescent OLED (2021)
  • Author(s): Kashida Junki、Shoji Yoshiaki、Ikabata Yasuhiro、Taka Hideo、Sakai Hayato、Hasobe Taku、Nakai Hiromi、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Pages: 23812～23818
  • DOI: 10.1002/anie.202110050
• [Journal Article] Tetraaryldiborane(4) Can Emit Dual Fluorescence Responding to the Structural Change around the B-B Bond (2021)
  • Author(s): Shoji Yoshiaki、Tanaka Naoki、Ikabata Yasuhiro、Sakai Hayato、Hasobe Taku、Koch Norbert、Nakai Hiromi、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Pages: e202113549
  • DOI: 10.1002/anie.202113549
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ホウ素の空軌道エンジニアリングに基づく物質開発 (2022)
  • Author(s): 庄子良晃
  • Organizer: 岡山理科大学プロジェクト「有機色素駆動型光電変換を志向した分子設計化学」研究推進事業学術講演会
  • Invited
• [Presentation] S=3/2希釈量子スピン系Ba2Co1-xZnxGe2O7における二つのボーズアインシュタイン凝縮相 (2022)
  • Author(s): 渡辺義人, 三宅厚志, 厳正輝, 池田暁彦, 徳永将史, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 車地崇, 徳永祐介, 有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] π電子-プロトン相関型分子性導体κ-H3(Cat-EDT-ST)2における静水圧力および一軸性圧縮下電気抵抗測定 (2022)
  • Author(s): 北山元晴, 出倉駿, 藤野智子, 上田顕, 郷地順, 上床美也, 今城周作, 金道浩一, 浅井晋一朗, 益田隆嗣, 橋本顕一郎, 田嶋尚也, 森初果
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 第一原理計算による有機導体(EDO-TTF-I)2ClO4の電子状態の解析 (2022)
  • Author(s): 川村泰喜, 橋本顕一郎, 吉見一慶, 石川学, 中野義明, 大塚晃弘, 矢持秀起, 春木理恵, 熊井玲児, 足立伸一, 小林晃人
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 極低温下でのキタエフ候補物質α-RuCl3の磁場角度分解比熱測定 (2022)
  • Author(s): 今村薫平, 水上雄太, 吉田悠生, 橋本顕一郎, 田中桜平, 原澤龍平, 栗田伸之, 田中秀数, 藤本聡, 山田昌彦, 村山陽奈子, 笠原裕一, 松田祐司. E. G. Moon, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaev候補物質Na2Co2TeO6の単結晶作製と磁場中比熱測定 (2022)
  • Author(s): S. Fang, 水上雄太, 橋本顕一郎, 石井梨恵子, 矢島健, 廣井善二, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡によるBaFe2As2およびFe(Se, S)のネマティックドメインの観察 (2022)
  • Author(s): 大西朝登, 影山遥一, Cedric Bareille, 谷内敏之, 石田茂之, 水上雄太, 橋本顕一郎, 永崎洋, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] UTe2における異方的準粒子励起とカイラル超伝導状態の検証 (2022)
  • Author(s): 石原滉大, 六本木雅生, 小林雅之, 水上雄太, 酒井宏典, 芳賀芳範, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 電子線照射により不純物を導入した新奇カゴメ金属CsV3Sb5における輸送特性評価 (2022)
  • Author(s): 劉蘇鵬, 六本木雅生, 田中優之介, 向笠清隆, M. Konczykowski, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 水上雄太, 上床美也, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 不純物効果から見たカゴメ格子系超伝導体CsV3Sb5の超伝導対称性 (2022)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 小河弘樹, M. Konczykowski, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 二次元カゴメ格子をもつ配位高分子における強相関超伝導 (2021)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 分子性固体オンラインセミナー(オンライン)
  • Invited
• [Presentation] 二次元配位高分子における強相関超伝導 (2021)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 日本学術振興会181委員会 第37回研究会(オンライン)
  • Invited
• [Presentation] カゴメ格子系超伝導の超伝導ギャップ構造 (2021)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所研究会「非自明な電子状態が生み出す超伝導現象の最前線：新たな挑戦と展望」
  • Invited
• [Presentation] 高Q値誘電体マイクロ波共振器を用いた強磁性マグノンとマイクロ波光子の強結合の観測 (2021)
  • Author(s): 加藤啓輔, 松浦康平, 不破麻里亜, 六本木雅生, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 宇佐見康二, 中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 希釈磁性体Ba2Co1-xZnxGe2O7の磁場誘起相転移と電気磁気効果 (2021)
  • Author(s): 渡辺義人, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 車地崇, 徳永祐介, 有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体NaAlSiの磁場侵入長測定 (2021)
  • Author(s): 小林雅之, 石原滉大, 六本木雅生, 水上雄太, 山田高広, 平井大悟郎, 山根久典, 広井善二, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] LaO1-xFxBiSSeにおける超伝導ギャップ構造 (2021)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 水上雄太, 星和久, 水口佳一, 池田浩章, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における量子相転移の観測 (2021)
  • Author(s): 鵜飼柚希, 下邨真輝, 末次祥大, 笠原裕一, 浅場智也, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3の磁場中熱伝導測定 (2021)
  • Author(s): 下邨真輝, 鵜飼柚希, 末次祥大, 笠原裕一, 浅場智也, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Fe(Se,Te)の微小単結晶における精密比熱測定 (2021)
  • Author(s): 水上雄太, 斎藤三樹彦, M. Qiu, 杉村優一, 松浦康平, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xTexにおける磁気輸送特性の圧力効果 (2021)
  • Author(s): 向笠清隆, 石田浩祐, 岡田昂, 松浦康平, 杉村優一, M. Qiu, 斎藤三樹彦, 水上雄太, 橋本顕一郎, 大塚匠, 渡辺孝夫, 郷地順, 上床美也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡による(Ba,Na)Fe2As2のネマティックドメインの観察 (2021)
  • Author(s): 影山遥一, 大西朝登, 石田浩介, Cedric Bareille, 水上雄太, 谷内敏之, 橋本顕一郎, 石田茂之, 永崎洋, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 鉄系超伝導体Ba1-xRbxFe2As2の圧力下電子相図 (2021)
  • Author(s): 岡田昂, 向笠清隆, 石田浩祐, 辻井優哉, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 石田茂之, 伊豫彰, 永崎洋, 郷地順, 上床美也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Remarks] 芝内・橋本研究室HP
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/index.html