中性子とX線回折法による水素結合型有機誘電物質の圧力誘起強誘電性の解明

• 研究課題/領域番号: 19K03728
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
• 研究代表者: 中尾 朗子 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 副主任研究員 (90392050)
• 研究分担者: 宗像 孝司 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 副主任技師 (00363408)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 中性子回折 / 単結晶構造解析 / 有機強誘電体 / プロトン移動 / 圧力誘起 / 水素結合型有機強誘電体 / 結晶構造解析 / 圧力誘起強誘電体 / X線回折 / 水素結合型有機誘電物質

研究開始時の研究の概要

柔らかい格子を持つ有機分子性結晶は，外部環境の変化に敏感で多彩な物性を示すが，中でも圧力は直接的に格子変化させることで新規物性を誘起させることが可能となる。
本研究では， 水素結合中のプロトンダイナミクスが誘電応答に重要な役割を果たす有機水素結合系圧力誘起強誘電体において，圧力下における中性子およびX線構造解析によって分子構造と水素位置を決定し，分子の自由度（配列・軌道・構造）と絡み合った相互作用を明らかにする。分子の自由度を物理的に制御し電子相を理解することは，近年急速に発展している有機エレクトロニクス研究において，物質・物性開拓のための設計指針に繋がる。

研究成果の概要

水素結合型誘起強誘電体の誘電応答の起源を理解するために，プロトンダイナミクスの観測を目的とした中性子および放射光X線回折法を用いた構造研究を行った。特に圧力効果と誘電応答の関連性を調べるため低温・圧力試料環境下における単結晶中性子回折法の構築を行い，水素位置と水素結合周りの構造変化を観測した。圧力誘起強誘電性相では，期待されたプロトン移動による強誘電性を示唆していることが明らかとなった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により，高圧下の有機分子性結晶の構造解析を実現し，酸と塩基から成る水素結合型強誘電体の分極起源の理解を深めた。これまで困難であった有機分子性物質の低温・高圧下での回折実験手法の確立は，外部環境の変化に敏感で多彩な物性を示す有機分子性結晶の構造研究への発展に繋がった。また，電子デバイス素子などの有機エレクトロニクスにおける重要な学術要素のひとつとして貢献した。

研究成果

• [雑誌論文] Cycloidal Magnetic Ordering in Noncentrosymmetric EuIrGe₃ (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumura Takeshi、Tsukagoshi Mitsuru、Ueda Yoshihisa、Higa Nonoka、Nakao Akiko、Kaneko Koji、Kakihana Masashi、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 7 ページ: 073703-073703
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.073703
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relief of spin frustration through magnetic anisotropy in the quasi-one-dimensional S=1/2 antiferromagnet Na2CuSO4Cl2 (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Fujihala, Y. Sakuma, S. Mitsuda, A. Nakao, K. Munakata, R. A. Mole, S. Yano, D. H. Yu, K. Takehana, Y. Imanaka, M. Akaki, S. Okubo, H. Ohta
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 144410-144410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-Density-Wave Order and Multiple Magnetic Transitions in Divalent Europium Compound EuAl4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Koji、Kawasaki Takuro、Nakamura Ai、Munakata Koji、Nakao Akiko、Hanashima Takayasu、Kiyanagi Ryoji、Ohhara Takashi、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 6 ページ: 064704-064704
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.064704
  • NAID: 40022591342
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic phase diagram of helimagnetic Ba(Fe1-xScx)12O19 (0 < x < 0.2) hexagonal ferrite (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Maruyama, Seiya Tanaka, Shun Natori, Ikuya Bizen, Keisuke Amemiya, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Kentaro Moriyama, Yoshihisa Ishikawa, Yasushi Amako, Taku Iiyama, Ryusuke Futamura, Shigenori Utsumi
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 892 ページ: 162125-162125
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162125
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oval-cycloidal Magnetic Structure with Phase-shift in the Non-centrosymmetric Tetragonal Compound CePdSi3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ueta Daichi、Yoshida Masahiro、Kobuke Tomohiro、Ikeda Yoichi、Nakao Akiko、Moyoshi Taketo、Munakata Koji、Liu Yaohua、Masuda Takatsugu、Yoshizawa Hideki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 11 ページ: 114702-114702
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.114702
  • NAID: 210000159393
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Correlated Li-ion migration in the superionic conductor Li10GeP2S12 (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yajima, Yoyo Hinuma, Satoshi Hori, Rui Iwasaki, Ryoji Kanno, Takashi Ohhara, Akiko Nakao, Koji Munakata, Zenji Hiroi
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. 巻: A9 号: 18 ページ: 11278-11284
  • DOI: 10.1039/d1ta00552a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Antiferromagnetic-to-ferrimagnetic phase transition with large electric-polarization change in a frustrated polar magnet CaBaCo4O7 (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Omi, Y. Watanabe, N. Abe, H. Sagayama, A. Nakao, K. Munakata, Y. Tokunaga, T. Arima
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 18 ページ: 184412-184412
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.184412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Programmable Synthesis of Silver Wheels (2021)
  • 著者名/発表者名: Hyunchul Kwon, Ewa Pietrasiak, Takashi Ohhara, Akiko Nakao, Boknam Chae, Chan-Cuk Hwang, Daesung Jung, In-Chul Hwang, Young Ho Ko, Kimoon Kim, Eunsung Lee
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 60 号: 9 ページ: 6403-6409
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00106
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Superconductivity-driven ferromagnetism and spin manipulation using vortices in the magnetic superconductor EuRbFe4As4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeyuki Ishida, Daniel Kagerbauer, Sigrid Holleis, Kazuki Iida, Koji Munakata, Akiko Nakao, Akira Iyo, Hiraku Ogino, Kenji Kawashima, Michael Eisterer, and Hiroshi Eisaki
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 118 号: 37
  • DOI: 10.1073/pnas.2101101118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hybridization-Gap Formation and Superconductivity in the Pressure-Induced Semimetallic Phase of the Excitonic Insulator Ta2NiSe5 (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi K、Okamura H、Mizokawa T、Katayama N、Nakano A、Sawa H、Kaneko T、Toriyama T、Konishi T、Ohta Y、Arima H、Yamanaka R、Hisada A、Okada T、Ikemoto Y、Moriwaki T、Munakata K、Nakao A、Nohara M、Lu Y、Takagi H、Uwatoko Y
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 7 ページ: 074706-074706
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.074706
  • NAID: 40022620524
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Helimagnetism of Ba(Fe1－xScx)12O19 Studied by Magnetization Measurement and Neutron Diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Maruyama, Seiya Tanaka, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Kentaro Moriyama, Yoshihisa Ishikawa, and Shigenori Utsumi
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 33 ページ: 011061-011061
  • DOI: 10.7566/jpscp.33.011061
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of Crystallographic Planes for a Polyhedral Single Crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Akiko Nakao, Taketo Moyoshi, Kentaro Moriyama, Takeshi Matsumura, Kenshirou Iba, Shigeo Ohara, Yoshihisa Ishikawa, Koji Munakata, Takashi Ohhara, and Ryoji Kiyanagi
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 33 ページ: 011067-011067
  • DOI: 10.7566/jpscp.33.011067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] q=0 long-range magnetic order in centennialite CaCu3(OD)6Cl2・0.6D2O: A spin-1/2 perfect kagome antiferromagnet with J1-J2-Jd; (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Iida, H. K. Yoshida, A. Nakao, H. O. Jeschke, Y. Iqbal, K. Nakajima, S. Ohira-Kawamura, K. Munakata, Y. Inamura, N. Murai, M. Ishikado, R. Kumai, T. Okada, M. Oda, K. Kakurai, and M. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 101 号: 22 ページ: 220408-220408
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.220408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Field-induced spin reorientation in the antiferromagnetic Dirac material EuMnBi2 revealed by neutron and resonant x-ray diffraction (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Masuda, H. Sakai, H. Takahashi, Y. Yamasaki, A. Nakao, T. Moyoshi, H. Nakao, Y. Murakami, T. Arima, S. Ishiwata
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 17 ページ: 174411-174411
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.174411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetically induced electric polarization in Ba3Fe2O5Cl2 with tunable direction in three dimensions (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Abe, S. Shiozawa, K. Matsuura, H. Sagayama, A. Nakao, T. Ohhara, Y. Tokunaga, T. Arima
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 18 ページ: 180407-180407
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.180407
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Helical and collinear spin-density-wave orders in S=1/2 one-dimensional frustrated chain compound NaCuMoO4(OH) investigated by neutron scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Asai, T. Oyama, K. Nawa, A. Nakao, K. Munakata, K. Kuwahara, M. Hagihala, S. Itoh, Z. Hiroi, and T. Masuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 101 号: 14 ページ: 144437-144437
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.144437
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flux Growth and Magnetic Properties of Helimagnetic Hexagonal Ferrite Ba(Fe1-xScx)12O19 Single Crystals (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigenori Utsumi, Seiya Tanaka, Kenichi Maruyama, Nao Hatakeyama, Kenichi Itoh, Jun Koike, Akihiro Horikawa, Hiroki Iriyama, Hajime Kanamaru, Yasushi Amako, Taku Iiyama, Ryusuke Futamura, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Kentaro Moriyama, Yoshihisa Ishikawa, and Nobuyuki Momozawa
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 5(38) 号: 38 ページ: 24890-24897
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c03671
  • 査読あり
• [雑誌論文] muSR and Neutron Scattering Studied on Possible Partially-Disordered Magnetic State Coexisting with Heavy Quasiparticles in SmPt2Si2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Nakamura, Ryuji Higashinaka, Kengo Fushiya, Ryo Tsubota, Takashi U. Ito, Wataru Higemoto, Akiko Nakao, Ryoji Kiyanagi, Takashi Ohhara, Koji Kaneko, Tatsuma D. Matsuda, and Yuji Aoki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Cof. 巻: 29 ページ: 12009-12009
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.012009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Structure of a Chiral Magnet DyNi3Al9 (2020)
  • 著者名/発表者名: Iba Kenshirou、Matsumura Takeshi、Nakao Akiko、Ishikawa Yoshihisa、Ohishi Kazuki、Kiyanagi Ryoji、Kousaka Yusuke、Ohara Shigeo
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 30 ページ: 011164-6
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011164
  • NAID: 130008152271
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Successive Phase Transitions in R3Ir4Sn13 (R: La and Ce) Investigated Using Neutron and X-ray Diffraction (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakazato Seiya、Iwasa Kazuaki、Hashimoto Daisuke、Shiozawa Mami、Kuwahara Keitaro、Nakao Hironori、Sagayama Hajime、Ishikado Motoyuki、Ohhara Takashi、Nakao Akiko、Munakata Koji、Kiyanagi Ryoji
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 30 ページ: 011128-011128
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011128
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-Step Magnetic Transitions in EuNiIn4 (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ikeda, K. kneko, Y. Tanaka, T. Kawasaki, T. Hanashima, K. Munakata, A. Nakao, R. Kiyanagi, T. Ohhara, K. Mochizuki, A. Kondo, K. Kindo, Y. Homma, M. D. Frontzek, H. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 89 号: 1 ページ: 014707-014707
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.014707
  • NAID: 210000157872
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic phase diagram enriched by chemical substitution in a noncentrosymmetric helimagnet (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsuki Sato, Yusuke Araki, Atsushi Miyake, Akiko Nakao, Nobuyuki Abe, Masashi Tokunaga, Shojiro Kimura, Yusuke Tokunaga, Taka-hisa Arima
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 5 ページ: 54414-54414
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.054414
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic, thermal, and neutron diffraction studies of a coordination polymer: bis(glycolato)cobalt(ii) (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakane Tomohiro、Yoneyama Shota、Kodama Takeshi、Kikuchi Koichi、Nakao Akiko、Ohhara Takashi、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Fujita Wataru
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 1 ページ: 333-338
  • DOI: 10.1039/c8dt04358b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unique Helical Magnetic Order and Field-Induced Phase in Trillium Lattice Antiferromagnet EuPtSi (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Koji、Frontzek Matthias D.、Matsuda Masaaki、Nakao Akiko、Munakata Koji、Ohhara Takashi、Kakihana Masashi、Haga Yoshinori、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 1 ページ: 013702-013702
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.013702
  • NAID: 40021772136
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear piezomagnetoelectric effect in CuFeO2 (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tamatsukuri, S. Mitsuda, T. Shimizu, M. Fujihala, H. Yokota, K. Takehana, Y. Imanaka, A. Nakao, and K. Munakata
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 100 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.201105
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coexisting spin resonance and long-range magnetic order of Eu in EuRbFe4As4 (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Iida, Y. Nagai, S. Ishida, M. Ishikado, N. Murai, A. D. Christianson, H. Yoshida, Y. Inamura, H. Nakamura, A. Nakao, K. Munakata, D. Kagerbauer, M. Eisterer, K. Kawashima, Y. Yoshida, H. Eisaki, and A. Iyo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 1 ページ: 014506-014506
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.014506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular diamond lattice antiferromagnet as a Dirac semimetal candidate (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimizu, A. Otsuka, M. Maesato, M. Tsuchiizu, A. Nakao, H. Yamochi, T. Hiramatsu, Y. Yoshida, and G. Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 17 ページ: 174417-174417
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.174417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice Dynamics Coupled to Charge and Spin Degrees of Freedom in the Molecular Dimer-Mott Insulator κ-(BEDT-TTF)2;Cu[(N(CN2)]Cl (2019)
  • 著者名/発表者名: Masato Matsuura, Takahiko Sasaki, Satoshi Iguchi, Elena Gati, Jens Muller, Oliver Stockert, Andrea Piovano, Martin Bohm, Jitae T. Park, Sananda Biswas, Stephen M. Winter, Roser Valenti, Akiko Nakao, and Michael Lang
  • 雑誌名: Phys Rev Lett. 巻: 123 号: 2 ページ: 027601-027601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.027601
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Ishigaki, Magnetic ordering and chiral structure phase transitions of Nd3T4Sn13 (T = Rh and Ir) (2022)
  • 著者名/発表者名: Ami Shimoda, Kazuaki Iwasa, Keitaro Kuwahara, Hajime Sagayama, Hironori Nakao, Motoyuki Ishikado, Takashi Ohhara, Akiko Nakao, Akinori Hoshikawa, and Toru Ishigaki
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] Nd3T4Sn13(T=Rh, Ir)におけるカイラル対称結晶構造相転移と反強磁気秩序 (2022)
  • 著者名/発表者名: 下田愛海, 岩佐和晃, 桑原慶太郎, 星川晃範, 石垣徹, 中尾裕則, 佐賀山基, 大原高志, 中尾朗子, 石角元志
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] La5Mo4O16における長時間磁気緩和と超格子反射 (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯田一樹, 梶本亮一, 中尾朗子, 大原高志, 石川喜久, 熊井玲児, 水野雄介, 勝藤拓郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 反転心を持たない磁性体EuIrGe3におけるサイクロイド型磁気構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松村武, 上田祥央, 塚越舜, 比嘉野々花, 中尾朗子, 金子耕士, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 立方晶Nd3Rh4Sn13の磁気励起に見られる擬1次元量子スピン反強磁性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 下田愛海, 岩佐和晃, 桑原慶太郎, 石角元志, 河村聖子, 村井直樹, 星川晃範, 石垣徹, 中尾朗子, 大原高志, 佐賀山基, 中尾裕則
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] SmAu3Al7が示す重い電子状態と共存した部分無秩序相における磁気構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 東中隆二, 北川紘章, 金子耕士, 伊藤孝, 大原高志, 田端千紘, 鬼柳亮嗣, 萩原雅人, 中尾朗子, 神戸振作, 松田達磨, 青木勇二
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 単結晶中性子回折によるSmAu3Al7が示す部分無秩序相の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北川紘章, 東中隆二, 金子耕士, 伊藤孝, 大原高志, 田端千紘, 鬼柳亮嗣, 萩原雅人, 中尾朗子, 神戸振作, 松田達磨, 青木勇二
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 1144型鉄系超伝導体Ca1-xLaxKFe4As4における超伝導と競合秩序相 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石田茂之, 飯田一樹, 宗像孝司, 中尾朗子, 土屋佳則, 藤久裕司, 後藤義人, 中川駿吾, 柏木隆成, 中尾裕則, 伊豫彰, 荻野拓, 川島健司, 永崎洋
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Identification of crystallographic planes of a polyhedral crystal at SENJU (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Nakao, T. Moyoshi, K. Moriyama, T. Matsumura, K. Iba, S. Ohara, Y. Ishikawa, K. Munakata, T. Ohhara, R. Kiyanag
  • 学会等名: 25th Congress of the International Union of Crystallography
  • 国際学会
• [学会発表] Development of absorption correction based on measured crystal faces at SENJU (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Nakao, T. Moyoshi, K. Moriyama, T. Matsumura, K. Iba, S. Ohara, Y. Ishikawa, K. Munakata, T. Ohhara and R. Kiyanagi
  • 学会等名: The 3rd J-PARC symposium
  • 国際学会