大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年06月19日

2020年 6月19日
名古屋大学
神戸大学
広島大学

【ポイント】
〇 星間物質だけで実現していた「3個の原子が2個の電子を共有」する正三角形分子を、固体物質で初めて観測
〇 半世紀以上も未解決であった物理学の難題「アンダーソン条件¹⁾の実現」を達成
〇 マイナスの電荷によってお互いに避けあう電子の性質を巧みに操ることで、新しい電子や原子の規則構造化に成功

【研究背景と内容】
　原子が整然と並んだ固体の物質では、温度が低下すると、よりエネルギーが低く秩序だった状態をとるために、多数の電子が様々な形式で自己組織化します。電子の密度に周期的に濃淡が生じる電荷密度波や、電子が対を形成して動き回る超伝導はその代表例です。このような電子の自己組織化現象を完全に理解することは、物理学における中心的な課題の一つです。パイロクロア構造²⁾をもつ遷移金属化合物³⁾は、磁鉄鉱Fe₃O₄⁴⁾に代表されるように、多様な電子の自己組織化現象を示す舞台として物性物理学の黎明期からずっと注目されてきました。特に、磁鉄鉱の研究において提案された「アンダーソン条件の実現」は、半世紀以上も未解決である物理学の難問です。
　我々の研究グループは、タングステン原子がパイロクロア構造を形成する酸化物CsW₂O₆において、3個のタングステン原子が2個の電子を共有した正三角形の分子が形成される、これまでに実現していない新しいタイプの電子の自己組織化現象を発見しました。CsW₂O₆は、セシウム(Cs)とタングステン(W)を含む酸化物です。室温において、CsW₂O₆の電子はパイロクロア構造上で均一に分布します（図3左）。我々は、この物質の純良な単結晶（図1）を合成し、大型放射光施設SPring-8⁵⁾のBL02B1における精密なX線回折実験（図2）と、電気抵抗、磁化、比熱、核磁気共鳴、ラマン散乱、反射率といった様々な物理量の測定を行いました。その結果、マイナス58 °C以下で、3個のタングステン原子が2個の電子を共有し、正三角形のW₃分子が形成されることを発見しました（図3右）。このような「三中心二電子結合」⁶⁾により正三角形の分子ができる例は、一般の分子を含めても、星間物質であるプロトン化水素分子⁷⁾だけが知られており、固体物質では世界初です。また、この分子形成は、分数の電子数をもつ状態を上手に利用する（図4）という思いもよらない方法により、アンダーソン条件を満たす電荷秩序⁸⁾を初めて実現したと考えられる点で画期的です。分子が形成された状態において、立方晶⁹⁾の対称性が保たれることも極めて珍しいです。
　なぜCsW₂O₆においてこのようにユニークな電子の自己組織化現象が起こるのか、についても、電子状態計算と単結晶を用いた物理的性質の測定により解明されつつあります。おそらく、立方晶であるにもかかわらず、電子の状態があたかも一次元物質のように不安定であること、タングステンを含む物質にしては電子間に強い反発力が働くことが重要な役割を果たしています。今後、CsW₂O₆と同様にパイロクロア構造をもつ物質において、さらなる新しい電子の規則構造や自己組織化現象の実現が期待されます。

【成果の意義】

【用語説明】