2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of concerted properties of pai-electrons and hydrogen in organic crystals
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16H04010
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
森 初果 東京大学, 物性研究所, 教授 (00334342)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上田 顕 東京大学, 物性研究所, 助教 (20589585)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 水素と電子のカップリング / 分子性物質 / 外場応答 / 圧力下 / スイッチング / バンド幅の効果 / 重水素効果 / 電場応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
機能性有機結晶では、「π電子物性」研究と、「水素系物性」は独立に研究されてきた。本課題では、π電子と水素の両者が協奏した、超伝導、絶縁体ー金属などの相転移（スイッチング）、そしてその外場応答（電場、圧力）などの新奇物性・機能性などの開拓を目指している。具体的には、（１）π電子と水素が協奏する有機分子および高品質有機結晶の合成を行い、（２）結晶・電子構造解析により、π電子と水素の静的協奏関係を明らかにし、（３）直流・交流電気抵抗率、電場下非線形伝導、圧力下抵抗率の測定より、π電子と水素の協奏物性として、外場（電場、圧力）によるプロトンスイッチング、水素の量子揺らぎを利用した超伝導の発現を目指している。
昨年度は、対象とするκ-D3(Cat-EDT-TTF)2 (重水素体)の電場応答を調べたところ、π電子－水素カップリング系ならではの特性として、負性抵抗を示す電場について、電場上昇と下降時で大きなヒステリシスを見出した。
本年度は、バンド幅がより広い類縁体であるκ-H3(Cat-EDT-ST)2（Se体）について、もう1つの外場応答である圧力応答を調べた。これまで、量子スピン液体であるκ-H3(Cat-EDT-TTF)2（S体）は、圧力印可で、電荷秩序に伴う絶縁相が誘起され、圧力印可と共に、その相転移温度は上昇していくことが観測されている。本研究のSe体では、S体とは対照的に、1GPaの圧力印可で、20K以下において金属化し、さらに低温の2K以下で半導体的挙動を示した。さらに圧力を印可すると金属化および半導体化の温度も上昇する振る舞いが観測された。これは、Se体の方がS体よりバンド幅が広いため、まず金属化し、さらに水素の無秩序―秩序化に起因した半導体化が観測されたと考えられる。このように、圧力応答でも、π電子と水素が相関した協奏物性が見いだされたのは、大変興味深い。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、よりバンド幅の広い水素ー電子カップリング系であるκ-H3(Cat-EDT-ST)2（Se体）について、圧力応答を調べた。その結果、κ-H3(Cat-EDT-TTF)2（Se体）とは対照的に、圧力印可で金属化するものの、さらに低温で半導体化する興味深い振る舞いが見られた。これは、SをSeに置換したことによるπ電子の効果と、水素結合中の水素の無秩序ー秩序化に伴うπ電子系の電荷秩序化による絶縁体化の両方の振る舞いが見られたと考えられる。このように、圧力応答でも、水素ー電子のカップリングによる協奏物性が観測されるのは大変興味深い。
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| Strategy for Future Research Activity |
κ-H3(Cat-EDT-ST)2（Se体）についての圧力応答の実験により、水素ー電子のカップリングによる協奏物性として、金属化およびそれより低温における絶縁化の振る舞いが見られた。
さらに、Se体サンプルにエポキシ樹脂をコーティングして、さらに静水圧性を保った形で圧力印可をしたところ、3K付近で抵抗のドロップ、及び磁場印可による抵抗ドロップの抑制が観測された。この超伝導と思われる特性について、静水圧下での再現性、および一軸圧縮での振る舞いを系統的に調べ、水素ー電子のカップリングの圧力制御について考察する予定である。
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