水素ダイナミクスと結合したπ造形システムにおける確率共鳴による新規デバイスの創出

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: π造形科学: 電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出
• 研究課題/領域番号: 17H05138
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 橋本 顕一郎 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00634982)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 水素結合 / π電子 / 可視紫外分光

研究実績の概要

本研究の目的は、π造形システムにおいて、生体系を模倣した確率共鳴現象を利用することで、本来排除すべきであったノイズを有効活用し、次世代に向けた低エネルギー消費デバイスを実現することである。具体的には、水素ダイナミクスとπ電子が互いに強く結合した水素結合系π造形システムκ-D3(Cat-EDT-TTF)2において、180Kで実現する水素結合とπ電子が相関した相転移現象近傍において、外部刺激としてノイズを印加することで、非線形性を利用した伝達信号の増幅を観測・実証することを目的としている。
そのためにまず当該年度は、可視紫外域における反射分光測定を行い、180Kでの相転移前後における光学伝導度スペクトルを詳細に調べることで、水素結合とπ電子の連動による相転移現象において電子構造がどのように変化するかを詳細に調べた。その結果、ダイマーモット絶縁体状態を取る転移温度以上においては0.4eV程度に位置していたダイマー内励起が、相転移点を挟んで0.7eV程度に上昇することを明らかにした。この光学伝導度スペクトルの変化は、相転移に伴い電荷秩序化が生じ、その結果、四量体が形成され、系がバンド絶縁体へと変化したためと考えられる。つまり、π電子と水素ダイナミクスの結合によりモット絶縁体からバンド絶縁体への相転移が起きていることが本研究により明らかになった。今後は、π電子と水素ダイナミクスの結合による相転移現象を利用した確率共鳴現象の確立に努める。

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

π電子と水素ダイナミクスの結合による相転移現象を利用した確率共鳴現象の確立には、相転移前後でどのような電子構造の変化が生じているかを明らかにすることが重要である。当該年度は、可視紫外域における反射分光測定を行うことで、180Kでの相転移により、モット絶縁体からバンド絶縁体への相転移が起きていることを明らかにすることができた。今後は、π電子と水素ダイナミクスの結合による絶縁体-絶縁体転移を利用した確率共鳴現象の確立に努める。

今後の研究の推進方策

今後は確率共鳴現象の観測を行うために、κ-D3(Cat-EDT-TTF)2において、ノイズ印加・外場印加に対する非線形伝導特性の観測システムの立ち上げを行い、印加ノイズに対する伝達信号の変化、試料温度に対する応答の変化を解析し、確率共鳴における最適測定条件を確立する。さらに大型放射光施設SPring-8の赤外分光ビームラインを用いてノイズ印加状態における局所赤外分光を行い、確率共鳴的に振る舞う分子振動の同定を行う。軽水素体と重水素体の比較を行うことで、水素ダイナミクスがπ電子に及ぼす影響を赤外振動分光によりミクロな観点から検証する。

研究成果

• [雑誌論文] Quantum-disordered state of magnetic and electric dipoles in an organic Mott system (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Shimozawa*, K. Hashimoto*, A. Ueda, Y. Suzuki, K. Sugii, S. Yamada, Y. Imai, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, H. Mori, T. Sasaki, and M. Yamashita (*equal contribution)
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 1821-1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01849-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystallization and vitrification of electrons in a glass-forming charge liquid (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Sasaki*, K. Hashimoto*, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, Y. Nishio, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, N. Yoneyama, M. Watanabe, A. Ueda, H. Mori, K. Kobayashi, R. Kumai, Y. Murakami, J. Muller, and T. Sasaki (*equal contribution)
  • 雑誌名: Science 巻: 357 ページ: 1381-1385
  • DOI: 10.1126/science.aal3120
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dimer-Mott and charge-ordered insulating states in the quasi-one-dimensional organic conductors delta'P and delta'C-(BPDT-TTF)2ICl2 (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Kobayashi, K. Hashimoto, N. Yoneyama, K. Yoshimi, Y. Motoyama, S. Iguchi, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, H. Taniguchi, and T. Sasaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 ページ: 115112-1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.115112
  • 査読あり
• [学会発表] Crystallization and vitrification of strongly correlated electrons on a geometrically frustrated triangular lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Hashimoto , Satoru Sasaki , Ryota Kobayashi , Keisuke Itoh , Satoshi Iguchi , Yutaka Nishio , Yuka Ikemoto , Taro Moriwaki , Naoki Yoneyama , Masashi Watanabe , Akira Ueda , Hatsumi Mori , Kensuke Kobayashi , Reiji Kumai , Youichi Murakami , Jens Mueller , Takahiko Sasaki
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] エックス線照射した電荷ガラス物質θ-(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4の赤外分光測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林亮太, 大藏聖, 唐金裕也, 須田理行, 山本浩史, 池本夕佳, 森脇太郎, 橋本顕一郎, 佐々木孝彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Crystallization and Vitrification of π-Electrons in a Geometrically Frustrated Charge-Ordered System (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Hashimoto
  • 学会等名: The 12th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2017)
  • 招待講演
• [学会発表] 重い電子系超伝導体URu2Si2における極低温磁場侵入長測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹中崇了, 繆逸杰, 弘中恭平, 水上雄太, 橋本顕一郎, Anna Bohmer, 芳賀芳範, 山本悦嗣, 松田達磨, 大貫惇睦, 松田祐司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋大会
• [学会発表] 強相関有機導体(BPDT-TTF)2Xにおける電子状態の次元性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小林亮太, 橋本顕一郎, 米山直樹, 谷口弘三, 吉見一慶, 本山裕一, 佐々木孝彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋大会
• [学会発表] 有機電子型誘電体の顕微テラヘルツ波発生分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤原里菜, 村上泰樹, 伊藤弘毅, 川上洋平, 山本薫, 米山直樹, 小林亮太, 橋本顕一郎, 井口敏, 佐々木孝彦, 中村優斗, 岸田英夫, Martin Dressel, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋大会
• [学会発表] 電荷ガラス物質θ-(BEDT-TTF)2CsZn(SCN)4の極低温熱伝導率測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎, 小林亮太, 近藤潤, 下澤雅明, 山下穣, 佐々木孝彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋大会
• [学会発表] π電子-プロトン相関型Cat-TTF系における量子スピン液体状態と量子常誘電状態の関係 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤潤, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 木俣基, 橋本顕一郎, 井口敏, 佐々木孝彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋大会