東大など、フラストレーションで融解した量子電子液体を発見
発表日:2019年2月12日
フラストレーションで融解した量子電子液体の発見
―巨大な電荷揺らぎを伴う異常金属相―
1.発表者:
・佐藤 拓朗（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 博士課程:研究当時/理化学研究所 特別研究員）
・北井 賢吾（東京大学工学部物理工学科 学部4 年生:研究当時）
・宮川 和也（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 助教）
・田村 雅史（東京理科大学 理工学部 物理学科 教授）
・上田 顕（東京大学 物性研究所 凝縮系物性研究部門 助教）
・森 初果（東京大学 物性研究所 凝縮系物性研究部門 教授）
・鹿野田 一司（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 教授）
2.発表のポイント:
◆強い幾何学的フラストレーションを持つ分子性物質（注1）において、互いの反発力で身動きの取れなくなった電子が量子力学的効果で融解し、"量子電子液体"（注2）と呼ぶべき異常な金属状態が生まれることが実験的に見出された。
◆量子電子液体では、電子ガラス（注3）に特徴的な古典的揺らぎと金属の量子性が結びつき、巨大かつ非古典的な電子の揺らぎが現れることが示された。
◆観測された量子電子液体相は、フラストレーションによってスピン秩序が融解した量子スピン液体（注4）の電荷版であることから、今回の発見により、電荷とスピンが絡んだ更なる新奇な状態の発現が期待される。
3.発表概要:
動き回る原子や分子から成る液体は、通常、冷やすことで、秩序を持った固体（結晶）へと変化します。この液体から固体への転移は極めて普遍的な現象で、水が凍るなど馴染み深い現象です。実は、この現象は、物質中の電子集団にも起こり得ます。電子は負の電荷をもつため、物質の中で互いに強く反発していますが、低温ではその運動が凍結し、物質ごとに個性を持った秩序構造（電子結晶、注5）を作ることがあります。しかし電子は、古典的な原子や分子とは異なり、量子性、すなわち波動性を兼ね備えた粒子です。そのため、電子結晶として凍結するはずの電子系が、量子揺らぎの効果によって融解するという不思議な現象が理論的に度々指摘されてきました。原子や分子では決して起こりえない真に量子力学的な現象であるため古くから大きな注目を集めてきたトピックです。しかし、実際に電子結晶が量子融解したという報告例はこれまで無く、その実験的な検証が待ち望まれていました。
今回、東京大学工学系研究科の佐藤拓朗大学院生(現:理化学研究所 特別研究員)、宮川和也助教、鹿野田一司教授らを中心とする研究チームは、量子電子液体を探索するうえで、幾何学的フラストレーションと呼ばれる、電子結晶の周期性と背景にある結晶格子の周期性が相いれず、電子の整列に迷いを生む効果に着目しました。彼らは、幾何学的フラストレーション効果を有する分子性導体について電子と結晶格子の2 種類の揺らぎを測定した結果、結晶格子はほとんど凍結しているにも関わらず、フラストレーション効果によって巨大な電子揺らぎが発現し、金属状態が維持されていることを見出しました。観測された電子揺らぎは、他の電子結晶形成物質中に見られる揺らぎとは質的にも異なり、量子効果の存在を裏付けています。量子電子液体形成の証拠を実験的に示した極めて重要な事例です。
今回の研究成果によって、電子系におけるフラストレーションという切り口で、量子電子液体探索の新たな指針が提示され、新奇物性の開拓へと発展することが期待されます。本研究は、2019 年2 月12 日（日本時間）に英国科学誌「Nature Materials」のオンライン版で公開されます。
※以下は添付リリースを参照
リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。
添付リリース
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