2020 Fiscal Year Research-status Report
軌道自由度を有する分子性超伝導体における電子対形成の研究
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19K05405
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
山本 貴 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 准教授 (20511017)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子性超伝導体 / 分子軌道自由度 / 分子分光 / 高圧 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子性物質における超伝導の発現条件を探るため、電子－電子間反発力と電子－格子相互作用（格子歪みによる電子同士の引力）を定量的に評価する実験的研究を行っている。このためには、分光学的な測定と解析を行うことで、分子同士の最外殻軌道の相互作用を調べる必要がある。本研究では、分子性導体を「A: 分子の二量体化が最も弱い系、B: 弱い二量化を示す系、C: 顕著な二量化を示す系、D: 結合に近い二量化を示す系、E: 単一成分系」に細分して、反発力と引力の相違点・共通点を探る予定である。本年度は、厳しい移動制限の中、分光測定のデータ解析を中心に取り組み、A・B・Dの物質について評価することができた。
Aに属する常圧超伝導体(BEDT-TTF)4[Ga(C2O4)3(H3O)]C6H5NO2では、反発力と引力の方向が互いに垂直である。反発力に由来する電荷配列と、引力に由来する電荷配列が競合関係であることが分かった(in press)。Dに属する反強磁性絶縁体（圧力下超伝導体）EtMe3As[Pd(dmit)2]2では、反発力と引力の方向が同一である。ところが、Aと同様に、反発力に由来する電荷配列と、引力に由来する電荷配列の両方が共存した。Bに属する磁場下超伝導体ラムダ型(BETS)2FeCl4でも、引力に由来する電荷整列の揺らぎが観測された。従って、スピン一重項的な揺らぎがこれらの超伝導に関与出来ることを示唆する結果を得た。
大きな単結晶を得にくいEの物質に着手する準備段階の実験として、Eと分子構造が近く、なおかつ、CとDの境界に位置する[Pt(dmit)2]2塩の粉末試料を用いた実験結果を解析したところ、金属と絶縁体の相境界で分子軌道の属性が変わったことを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度はEに着手できなかったが、A・B・Dの試料により本研究の核心的な問いに答えを見つけることができたので、おおむね順調といえる。具体例成果を以下に示す。
Aに属する常圧超伝導体(BEDT-TTF)4[Ga(C2O4)3(H3O)]C6H5NO2の極低温における分子振動を解析した。過去の分子振動の研究と同じ（絶縁体状態に近い）電荷揺らぎと、核磁気共鳴による報告に類似した（金属状態に近い）電荷揺らぎを、同一のスペクトルで検知できた。前者の電荷揺らぎの起因は、電子－格子相互作用による結合性軌道の形成（四量体化）であった。一方、後者の揺らぎでは、電子－電子反発力のみ作用するため結合を形成し難い。前者と後者の揺らぎが二次元伝導面で競合・共存することを突き止めた。
Dに属する圧力下超伝導体であるEtMe3As[Pd(dmit)2]2の分子内振動の測定結果を再度解析した。二種類の電荷揺らぎを見出した。これらは、電子－格子相互作用のため、複数個の二量体が結合性軌道を形成することに起因する。ところが、電荷揺らぎが小さな状態も共存し、こちらのほうは、反結合性軌道の二量体が存在することを意味するので、磁気秩序が観測されるという過去の結果と矛盾しない。
Bに属する磁場有機超伝導体のラムダ型(BETS)2FeCl4のゼロ磁場における分子内振動を観測したところ、電子－格子相互作用による四量体化に由来する電荷揺らぎが観測された。CとDの境界にあるMe4Sb[Pt(dmit)2]2の金属－絶縁体転移に着目して、粉末試料の分子内振動と透過スペクトルの温度依存性を解析した。相転移点にて、二量体の軌道の縮退を回避した結果、半数の二量体ではHOMOとLUMOの準位逆転が転移後に解消された。これに電荷移動が伴った結果、相転移後の全ての二量体が結合性軌道に置き換わることを突き止めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、新型コロナウイルスによる移動制限下で実施できる研究を述べる。分子の二量化が最も顕著な[Pd(dmit)2]2塩（Dに属する）、および、次に顕著な[Pt(dmit)2]2塩（CとDの境界に属する）の室温における圧力下赤外スペクトルの測定を予定している。粉末試料による測定でも、単結晶試料による測定に遜色しない情報を得ることを確認できたので、圧力下実験では粉末試料を用いる。[Pd(dmit)2]2塩では電荷揺らぎや電子－格子相互作用を探索し、[Pt(dmit)2]2塩では軌道の縮退を探索する。Eに属する単一成分の伝導体であるPd(dddt)2は、圧力下において軌道準位の近接によりディラック電子系になる可能性がある。従って、分子振動や近赤外スペクトルの測定に向けた量子科学計算を行う。これまでは、Aに属する試料は3/4フィルド系を対象にしてきたが、2/3-フィルド系に属する圧力下超伝導体の電気抵抗測定を一軸圧縮条件で行い、、電子－電子間反発力と電子－格子相互作用の働く方向を決定する。
移動制限が解除された場合、上記の研究の一部を以下の内容に置き換える予定である。Cに属するカッパ型(BETS)2FeCl4のラマンスペクトルの温度依存性を測定し、ラムダ型(BETS)2FeCl4で見られた電子－格子相互作用が弱められるのか否か、探索する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスにより、外部機関で実験する機会を失ったため。今年度は、費用の一部を高圧実験とヘリウム購入費用に充当する予定である。
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