スーパーオキシハライドの創製による新しい二次元量子磁性体の開拓

• Project/Area Number: 19K22056
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 北田 敦 京都大学, 工学研究科, 助教 (30636254)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 超酸化物イオン / スーパーオキシハライド / 超酸化物 / 複合アニオン / 磁性体

Outline of Research at the Start

超酸化物イオン（スーパーオキサイドイオン、[O2]-：酸素分子の１電子還元体）は、2
価の銅イオンと同じくスピン1/2の磁気モーメントを担う。一般的な磁性イオンが金属カチオンであるのに対して、[O2]-イオンは非金属のアニオンである。本研究では、[O2]-アニオンとハロゲン化物アニオンの複合アニオン化合物、すなわち「スーパーオキシハライド」という未開拓の物質群の創製に挑む。超酸化物イオンが二次元に配置された新物質を合成できれば、同じスピン1/2の磁気モーメントを担う銅酸化物が、なぜ高温で超伝導状態になるのか、どうすればより高温で超伝導にできるかを考える上で役に立つ。

Outline of Annual Research Achievements

超酸化物イオン（スーパーオキサイドイオン、[O2]-は、酸素分子の1電子還元体である。不対電子を1個もつので、銅(II)イオンと同じくスピン1/2を担う磁性アニオンである。量子効果の強いスピン1/2が二次元に配列してできる二次元量子磁性体は、CuO2面をもつ銅酸化物高温超伝導体のモデル系であり、超伝導転移温度（Tc）の更新と発現機構の解明に直結する物理工学の重要なテーマの一つである。高温超伝導フィーバー以来30年がたち、その理論モデルは数多い。しかし、理論を検証できるモデル物質の数は、現在でも圧倒的に不足している。そこで、非常識的な磁性イオンである[O2]-を用いて新しい二次元量子磁性体を合成し、その磁気特性の理解によって高温超伝導の発現機構に迫ることを目的としている。
[O2]-とハロゲン化物イオンを複合化したスーパーオキシハライドに着目した。銅酸化物高温超伝導体の非磁性ブロック層を模擬して、非磁性ハロゲン層の一部を[O2]-磁性層で置換するストラテジーにより、[O2]-の二次元配列の可能性を検討した。
超酸化物イオンは強い酸化力があるため、酸化耐性の大きいハロゲンであるF-やCl-を選択した。超酸化物として唯一高純度で市販されている超酸化カリウム（KO2）を、金属ハロゲン化物（MXn）と整数比で反応させて、[O2]-磁性層とハロゲンブロック非磁性層を交互に積層させられないかと考えた。
KO2とAlF3またはKO2とAlCl3の固相反応によるスーパーオキシハライドの合成を試みた。真空封入後に加熱したが、目的の物質は現在のところ得られていない。真空ではKO2の分解が優勢となっている可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

計画していた反応実験をこなしてはいるが、目的物質の合成がうまくいっていない。当初考えていた固相反応では拡散が遅いため高温が必要となるが、KO2の分解が優勢になってしまっている可能性がある。

Strategy for Future Research Activity

当初考えていた固相反応では拡散が遅いため高温が必要となるが、KO2の分解が優勢になってしまっている可能性がある。そこで、室温で液体となっている「超酸化物イオン液体」（過去に我々が初めて報告）を出発物質とすることで、反応の改善と目的物質の合成を目指す。