東京理科大学(理科大)らは、有機物質中の電子が、波動性を有した金属状態と粒子性を有した絶縁体状態の間でゆっくりと揺らぐ現象を発見したと発表した。

同成果は、東京理科大学理学部第一部の伊藤哲明 准教授、京都大学人間・環境学研究科の前川覚 教授(当時)、渡辺恵里 大学院生(当時)、理化学研究所の加藤礼三 主任研究員、東京大学工学系研究科の鹿野田一司 教授らの研究グループによるもの。詳細は米国の科学誌「Science Advances」に掲載された。

電子は電荷を持っているため、物質の中で互いに反発し合う。この反発力が大きいと、電子は自由に動けず、粒子としての性質を持つモット絶縁体という状態になる。反対に、反発力が小さいと、電子は波として自由に動き、絶縁体から金属へと性質を変える。このように電子の粒子性と波動性が移り変わる領域をモット境界と呼び、この領域では高温超伝導や巨大磁気抵抗など産業応用上重要な現象が実験的に観測されているため、モット境界の性質を理解することは現代物理学上の大きな課題となっている。

今回の研究では、結晶格子に乱れが導入された2次元モット絶縁体有機物質に圧力をかけ、モット境界にいたらせ、絶対温度2Kという低温まで温度を変えながら、核磁気共鳴実験で電子状態を観測した。すると、従来の常識に反して、粒子性を持つモット絶縁体状態と波動性を持つ金属状態の間を電子がゆっくりと行き来している現象を発見したという。つまり、圧力－温度相図上で、従来の相転移描像ではなく、新たな電子相(粒子性と波動性の間をゆっくり揺らぐ電子グリフィス相と呼ぶべき新奇相)が実現していることを見出したことになる。

従来と同研究のモット境界の相図(出所:東京理科大学Webサイト)

今回の成果について同研究グループでは、モット境界の基礎理解を書き換えるもので、これらの応用上重要な電子物性分野の研究に新たな視点を与えるものとし、今後、高温超伝導の探索や次世代エレクトロニクス開拓の新たな指針となるとコメントしている。