| 研究課題/領域番号 |
18H05225
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
鹿野田 一司 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20194946)
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| 研究分担者 |
賀川 史敬 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30598983)
森 初果 東京大学, 物性研究所, 教授 (00334342)
伊藤 哲明 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 教授 (50402748)
池田 昌司 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (00731556)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| キーワード | 電子ガラス / 分子性固体 / 強相関電子系 / ソフトマター |
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| 研究実績の概要 |
○量子性ガラスの探索と電子レオロジーの確立（鹿野田、伊藤）：i) 三角格子系θ-(ET)2Xにおいて、電荷秩序安定相から電子ガラス安定相へと系統的に電子の遍歴性（量子性）が強くなり遂にはガラス相が量子融解すること、ii) 伝導性有機物質β-meso系がソフトマターに特徴的な動的不均一性を示すこと、iii) Mott転移系にX線照射によって乱れを導入すると、電子の揺らぎが極度に減速する「電子グリフィス相」が実現することを見出した。また、iv) ラマンイメージングにより電子ガラスの結晶化の観測に成功し、v)強パルス電流下における非平衡電子ダイナミクスを観測するためのNMR測定系を構築した。
○電子系ガラスの相制御と物質制御（賀川、森）：i) 極低温走査型ラマン顕微鏡装置を立ち上げ、300nm の高分解能を極低温下（2 K）で達成し、これを用いて遷移金属ダイカルコゲナイド IrTe2における電荷秩序／超伝導のメゾスケール相分離の実空間観測に成功し、ii) MnSiにおける乱れた磁気スキルミオン格子が電流印加の強制流動により結晶性を回復することを見出した。また、iii) プロトンと電子の運動が結合する系κ-X3(Cat-EDT-TTF)2の水素体と重水素体を開発し、ダイマーモット相から電荷秩序絶縁相への相転移を示す重水素体において、ヒステリシスを伴う可逆なスイッチング現象を伴うガラス的な電場応答を観測した。
○電子ガラスのモデル化（池田）：i) 電子ガラスのモデルとして三角格子クーロン粒子系の数値実験用プログラムの開発を行った。また、ii) 構造ガラスのモデルであるダイマー粒子ガラスの低エネルギー励起には、並進よりも回転の自由度が重要となることを明らかにし、iii) 不均一性を持つ弾性体模型を解析し、ガラス特有の低エネルギー励起を再現することを発見した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
○量子性ガラスの探索：一連の幾何学的フラストレーションが制御された物質を対象に、電子状態を、電気抵抗、その揺らぎ、核磁気共鳴、ラマン分光、外場応答等実験を行った結果、電荷フラストレーションの増大と共に電子の遍歴性が強くなること、及び、遍歴電子系が動的不均一性を示すことを明らかにし、量子性を有するガラスの姿の実体を示すことに成功した。初年度の段階で本研究の学術的な問いの中心にあるガラスと量子性の関係について重要な知見を得たことになる。また、乱れと電子相関の協奏により特異的に電子の運動が遅くなる「電子グリフィス相」を見出したが、これはガラス性に関連した新奇電子相であり、初年度の段階で電子ガラス・電子ソフトマター現象の多様性の開拓に成功しつつある。
○電子系ガラスの相制御と物質制御：磁気スキルミオンは、トポロジカルに保護された直径10-100nm程度の渦状のスピン磁気構造である。この、あたかも粒子のように振舞う磁気構造は、温度・磁場では凝集し、多くの転位や欠陥を伴った、不完全な“結晶”を形成するが、電流を印加し磁気スキルミオンを強制的に流動させると結晶性が回復することを見出した。これは当初の計画を超えて得られた成果と言える。また、異なる秩序変数を有する複数の電子相が競合しそれらが格子自由度と結合する分子性物質κ-X3(Cat-EDT-TTF)2において、同位体に依存してガラス的振る舞いを観測したことは、電子ガラス物質の開発と制御法に想定以上の多様性があることを示している。
○電荷ガラスのモデル化の第一歩として、三角格子模型の数値実験による研究に着手した。またダイマー粒子ガラスや弾性不均一性模型の研究では、低エネルギー励起の存在というガラス系の基本的な性質について、その理解を大きく進展させる成果を得た。
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| 今後の研究の推進方策 |
○量子性ガラスの探索：本年度はフラストレーションの異なる一連の物質について電子ガラスにおける量子性発現の系統性を調べたが、次年度は、同一物質に対し静水圧や一軸歪を用いてフラストレーションを精密に変化させ、電子の遍歴性（量子性）と遅い揺らぎ、動的不均一性、基底状態等の相関を調べる。本年度に成功した電子ガラスの結晶化のラマンイメージングを様々な温度に拡張する。また、乱れたモット転移系に発現する電子グリフィス相の研究を圧力下の研究へと発展させ、電子グリフィス相の電子相関－温度－乱れの３元相図を確立し、電子遍歴性（量子性）が電子グリフィス相の遅い電子揺動に与える影響を議論する。
○電子系ガラスの相制御と物質制御：典型的な巨大磁気抵抗系Nd0.5Sr0.5MnO3は、その背景にメゾスケール相分離を伴い、物性値が秒や分を優に超える遅い時間スケールで変化するといった、ガラス的な挙動を示す。この系に電流パルスを印加することにより、反強磁性絶縁相（熱力学安定相）と強磁性金属相（準定常非平衡状態）との間で、可逆かつ不揮発な相制御を目指す。水素―電子結合系分子性導体κ-X3(Cat-EDT-TTF)2（X =H, D）について、本年度は外場として電場を用いて新奇現象を観測したが、今後はS原子に代わりSe原子を導入する化学圧力と力学的な物理圧力を印可することにより、ダイマーモット絶縁相と水素移動由来の電荷秩序相の競合から如何にしてガラス的な振る舞いが現れるのかを解明する。
○電荷ガラスのモデル化：三角格子上のクーロン粒子系のガラス状態のシミュレーションを行い、そのエネルギー地形の低エネルギー領域の構造を明らかにする。昨年度までの研究により、構造ガラスのエネルギー地形の状態密度の特性が分かってきているので、電荷ガラスについても同様の解析を行い、電荷ガラスと構造ガラスを共通の基盤から理解する。
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