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2022 年度 実績報告書

高度なソフトマター性と巨大電荷分離を伴う超分子塩化合物の新規な固体物性の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 20H01862
研究機関大阪大学

研究代表者

中澤 康浩  大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (60222163)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード電荷分離 / 誘電特性 / 熱容量 / 熱伝導 / 電荷揺らぎ
研究実績の概要

空間的に広がったカチオン性、アニオン性のクラスターユニットが分離積層した電荷移動塩や金属錯体のネットワーク固体などは、結晶内にナノレベルでの大きな電場勾配が形成されている可能性がある。本研究では、こうした分子性化合物中で特異的に生じる非平衡性や、局所的な強い相互作用に根差した新規な物性開拓を目指した研究を進めている。令和4年度は、アニオン性のフレームとなっている配位高分子骨格とその間隙を可動できるアルカリカチオンからなる化合物であるM6[Rh4Zn4O(L-cyc)12]・nH2OをよびM6[Ir4Zn4O(L-cyc)12]・nH2Oを中心に新規に作成した測定プローブと測定系を使って、交流インピーダンス測定、複素誘電率測定、熱伝導率測定などを行った。また、π電子に起源をもつ大きな電荷揺らぎをもつ電荷移動塩の誘電的、熱的な測定を進めた。
アニオンフレーム型の電荷分離塩では、知られていた直流電場による密度変調の発生だけでなく、交流電場変調によって周波数依存性を調べることによって水和イオンの運動が電場と協奏して集団的になる可能性を見出した。イオンを遷移金属イオン、希土類イオンに置き換えるとアニオンフレーム内に新規構造をもった特異な配列をつくる。その閉殻電子に起源をもつ磁性等についても調べた。特に、希土類の場合にはフラストレーションをもつキュバン型構造になる。そのため、構造的な揺らぎを残した中で、大きなスピンモーメントと格子の自由度が相互作用をしながら比較的ソフトな磁性を示す可能性がある。これらの物質の磁場下熱容量、磁気測定を行い大きな磁気エントロピーが秩序化を生じず低温まで残っていることが判った。一方、電荷の揺らぎを示す電荷移動塩では、分子の配列がフラストレーションを示す場合に電荷だけでなく、スピンの自由度がフォノンと結合し新奇な量子物性を発現することが明らかになった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

令和4年度は、アニオン性のフレームである配位高分子や電荷移動塩で、固体中に生じる非平衡性を主題として研究を進めた。研究の進展によって、前者では、硬いアニオン性ネットワークの空隙部を水和したアルカリ水和イオンが高い伝導性を伴い移動でき、そのイオン勾配を、印加した電圧によって制御できることが明らかになっている。運動そのものは比較的自由で流動性をもち、これまでも、高いイオン伝導性と直流電場印加による大きな濃度勾配によって温度勾配が生じる非平衡現象がおこる事が知られていたが、本年度の研究で進めたようにそこに交流で変調を加えることでダイナミクスを制御することが可能となり、さらに水和イオンの運動を特徴つける特性周波数が存在することを示唆する結果が得られた。比較的質量の大きなユニットの運動を外場で集団的に起動することが出来る可能性があり、ソフトマター的な特徴とイオン性結晶固体の二面性をもつこれらの分子性固体の新規な特徴であると考えられる。
一方、電荷の揺らぎを示す電荷移動塩では、二次元面内での分子の配列がフラストレーションを示すことで電荷やスピンの自由度が格子と相互作用をして大きな揺らぎを伴う量子物性を発現する。二量体三角格子をつくるスピン液体物質において、熱伝導率や交流インピーダンスの測定から大きな低エネルギーのフォノン構造や非線形伝導性が生じるなどπ電子のフラストレート量子系の新たな特徴を指摘することができた。熱容量、熱伝導などの熱的なデータから、低エネルギーフォノンの励起が量子自由度のフラストレーションによって生じることも新しい成果である。
これらの成果の一部の内容は論文として出版し、また、学会等で成果発表を行っている。また装置開発の成果も論文、年次報告等でも出版しており研究は概ね順調に進んでいると判断している。

今後の研究の推進方策

令和4年度の研究成果の中で、アニオン型の強固なネットワークフレームに対して、カチオンを遷移金属イオンや希土類イオンの変えることによって磁気イオンが特異な結晶として配列し、特に希土類についてはキュバン型構造に配列した化合物が生じることを議論した。それらの化合物は水分子を多く含む構造の中で、希土類スピン間の相互作用がフラストレーションを起こしているため長距離相関が阻害される。特にスピンモーメントが大きなGd3+を含むGd0.33[Gd4(OH)4(OAc)3] [Rh4Zn4O(L-cys)12]・nH2O等に対して、ソフトな格子の特徴とスピンの相関を調べるために磁気熱量効果などの測定を行う。令和4年度から開発を進めている、磁場変化による渦電流による加熱のないプラスティックセルを用いた装置を作成を継続的に進め、数テスラの磁場を高速に掃引しても試料部以外の温度変化が起こらない装置をつくり、高感度の計測を行う。希土類イオンが高密度に配置されながら磁気相関がないため大きなエントロピーを比較的弱い磁場で制御可能であるため、磁気冷却等の可能性を検討する。また、アニオン移動系の交流磁場印加による集団現象を印加する交流電場とその周波数依存性を詳細に調べる。Debye緩和のような単緩和のプロセスでなく集団的な共鳴現象になっている可能性があり、様々なモデルで解析を行うことで現象の理解を進める。
一方、分子が分離積層型に配列した電荷移動塩では、こうした電荷分離構造をもつ分子性電荷移動錯体を中心に、分子軌道にあるπ電子が強い電子間の相関効果によって生み出す電荷凍結、電荷秩序状態を、電荷の融解や、電荷の移動によって 生じる非平衡状態を調べるため、交流型の熱測定を中心に電荷、フォノンの動的構造を調べるため極低温での磁場下での熱伝導率計測に関する研究を進める。

備考

研究成果の一部は、大阪大学理学研究科附属熱・エントロピー科学研究センター、物性物理科学研究室のHPに掲載している。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] 低温物理・低温工学研究所(ウクライナ)

    • 国名
      ウクライナ
    • 外国機関名
      低温物理・低温工学研究所
  • [雑誌論文] Thermodynamic properties of the Mott insulator-metal transition in a triangular lattice system without magnetic order2023

    • 著者名/発表者名
      Emre Yesil, Shusaku Imajo, Satoshi Yamashita, Hiroki Akutsu, Yohei Saito, Andrej Pustogow, Atsushi Kawamoto, and Yasuhiro Nakazawa
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 107 ページ: 045133 1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.107.045133

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 分子性電荷移動塩の超伝導ギャップの構造と対称性の熱力学的解析2023

    • 著者名/発表者名
      今城周作、中澤康浩
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 78 ページ: 79-84

    • DOI

      10.11316/butsuri.78.2_79

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Systematic study on thermal conductivity of organic triangular lattice systems2022

    • 著者名/発表者名
      T. Nomoto, S. Yamashita, H. Akutsu, Y. Nakazawa, and R. Kato
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 105 ページ: 245133 1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.245133

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermodynamic measurements of doped dimer-Mott organic superconductor under pressure2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsumura, S. Yamashita, H. Akutsu, Y. Nakazawa
    • 雑誌名

      Low Temp. phys.

      巻: 48 ページ: 51-56

    • DOI

      10.1063/10.0008964

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Persistence of fermionic spin excitations through a genuine Mott transition in κ -type organics2022

    • 著者名/発表者名
      S. Imajo, N. Kato, R. J. Marckwardt, E. Yesil, H. Akutsu, and Y. Nakazawa
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 105 ページ: 125130 1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.125130

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] An Organic Quantum Spin Liquid with Triangular Lattice: Spinon Fermi Surface and Scaling Behavior2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kusamoto, C. Ohde, S. Sugiura, S. Yamashita, R. Matsuoka, T.Terashima, Y. Nakazawa , H. Nishihara and S. Uji
    • 雑誌名

      Bull.Chem.Soc.Jpn.

      巻: 95 ページ: 306-313

    • DOI

      10.1246/bcsj.20210411

    • 査読あり
  • [学会発表] Thermodynamic Properties around the Metal-Insulator Spin Phase Boundary in the Dimer-Mott Organic Compounds2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakazawa, E. Yesil, S. Imajo, S. Yamashita and H. Akutsu
    • 学会等名
      Multiscale Phenomena in Condensed Matter (Multis 2022) (Online)
    • 国際学会
  • [学会発表] Introduction of Calorimetry and its Application for Researches2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakazawa
    • 学会等名
      Virtual Intercontinental Assembly on Calorimetry and Thermal Analysis (VIACTA2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum Features around the Mott Boundary in Organic pai-electrons Compounds2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakazawa, Emre Yesil,Y. Matsumura, S. Imajo, S. Yamashita and H. Akutsu
    • 学会等名
      2nd International Workshop Thermal Conductivity of Solid States at Low Temperatures
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 分子性電荷移動塩における金属絶縁体転移近傍の熱力学的性質2022

    • 著者名/発表者名
      Emre Yesil,松村祐希,今城周作,山下智史,圷広樹,中澤康浩
    • 学会等名
      第58回熱測定討論会(オンラインおよびハイブリット(東京))
  • [学会発表] 二次元層状金属錯体の面内、面間熱伝導測定2022

    • 著者名/発表者名
      張 路明,山下智史,圷広樹,野本哲也,星野哲久,芥川智行,中澤康浩
    • 学会等名
      第58回熱測定討論会(オンラインおよびハイブリット(東京))
  • [学会発表] Magneto-caloric effect of frustrated metal complexes containing Gd ions2022

    • 著者名/発表者名
      Yu Zhang, Satoshi Yamashita, Hiroki Akutsu, Tetsuya Nomoto, Nobuto Yoshinari, Takumi Konno, and Yasuhiro Nakazawa
    • 学会等名
      第58回熱測定討論会(オンラインおよびハイブリット(東京))
  • [学会発表] 微小結晶熱伝導率測定装置の開発と層状有機分子の物性研究2022

    • 著者名/発表者名
      張 路明,山下智史,圷広樹,中澤康浩
    • 学会等名
      分子科学討論会2022(横浜
  • [学会発表] α-(BETS)2I3における2D-3Dクロスオーバーとカイラル磁気異常効果2022

    • 著者名/発表者名
      野本哲也, 今城周作, 圷広樹, 中澤康浩, 小濱芳允
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会(ハイブリッド(東京)
  • [備考] 阪大化学熱学レポート

    • URL

      https://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/micro/

  • [備考] 物性物理化学研究室

    • URL

      http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/nakazawa/

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公開日: 2023-12-25  

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