Quantum-size effect on metallic nanoparticles, its implications and applications

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18600
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Ishida Kenji 京都大学, 理学研究科, 教授 (90243196)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 金属ナノ粒子 / 核磁気共鳴 / 核スピンー格子緩和率

Outline of Final Research Achievements

We measured the nuclear spin-lattice relaxation rate (1/T1) of platinum (Pt) nanoparticles with a particle size of about 4 nm, and found that at low temperatures below 10 K, there is a large deviation from metallic behavior, accompanied with a peak at 1/T1. By examining the particle size dependence of this anomaly and investigating nanoparticles of Pt1-xCux, Pt1-xPdx, and AuCu, we found that the anomaly was a "quantum size effect" caused only by the density of states of d electrons. This brings about a modification in the quantum size effect proposed by Prof. R. Kubo in 1962, and indicates the importance of the electron correlations in the quantum size effect.

Free Research Field

低温物性測定

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

金属ナノ粒子の核磁気共鳴の研究は1990年代まで盛んにおこなわれていたが、その後研究はほとんど行われていなかった。我々はd電子金属ナノ粒子に対しNMRを行うことから、Ptナノ粒子に対しd電子の状態密度に起因した「量子サイズ」効果を見出した。ナノ粒子の物理に対しては久保先生が提唱された量子サイズ効果が広く受け入れられているが、我々の発見はナノ粒子の物理に当時考えられていなかった電子相関の効果が存在することを示唆しているものと考えられる。今後電子相関の効果を取り入れた量子サイズ効果の理論が構築されることが望まれる。