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「質量のないディラック電子」系を発見

- 単一成分の分子性結晶に圧力をかけて実現 -

理化学研究所
物質・材料研究機構
名古屋大学

理化学研究所、物質・材料研究機構及び名古屋大学の共同研究グループは、単一成分の分子性結晶が高圧力下で「質量のないディラック電子」系となることを発見しました。

概要

理化学研究所 (理研) 加藤分子物性研究室の加藤礼三主任研究員、崔亨波研究員、物質・材料研究機構若手国際研究センターの圓谷貴夫ICYS-Namiki研究員、国際ナノアーキテクト研究拠点の宮崎剛MANA主任研究者、名古屋大学大学院理学研究科の鈴村順三名誉教授らの共同研究グループは、単一成分の分子性結晶が高圧力下で「質量のないディラック電子」系となることを発見しました。
 
「質量のないディラック電子」系は、電子があたかも質量がないような粒子として物質中を高速に移動するため近年注目されています。例えば、グラフェンが代表的な例です。グラフェンは、線形のバンド分散が一点で交差する特異な電子状態 (ディラック分散) を示します。このような電子状態を示す物質中では、電子が高速で移動することが可能なため、現在、世界中でディラック分散を持つ物質の探索が行われています。
 
今回、共同研究グループは、[Pd(dddt)2] という単一の分子で構成されている結晶が圧力下で「質量のないディラック電子」系となることを明らかにしました。通常、単一成分の分子性結晶は絶縁体であり電流を流しません。 [Pd(dddt)2]の結晶も常圧では絶縁体ですが、共同研究グループは約12万気圧という高い圧力下では電流が流れるようになり、その電気抵抗が温度に依存しないことを発見しました。このような振る舞いは「質量のないディラック電子」系の特徴であることが知られています。
 
次に共同研究グループは、精密な第一原理計算手法により圧力下の構造と電子状態を明らかにし、高圧下でディラック分散が実現されている可能性が高いことを見つけました。さらに、モデルを使った理論解析によって、この特殊な電子状態の実現には、異なる分子層に由来するフロンティア軌道の最高占有分子軌道 (HOMO) と最低非占有分子軌道 (LUMO) の混成が重要な役割を果たしていることを明らかにしました。
 
今回、実験、計算、理論の共同研究により、通常絶縁体である単一成分の分子性結晶においても圧力をかけることによって「質量のないディラック電子」系が出現することが初めて示されました。ディラック電子系が出現する材料の範囲が広がり、新しいディラック電子系の開発が進むと期待できます。
本研究は、米国の科学雑誌『JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY』 (1月25日号) 、オンライン版 (1月25日付け : 日本時間1月26日) に掲載されました。

「プレスリリースの図3: [Pd(dddt)2] の高圧下におけるディラック分散と結晶構造第一原理計算により決定した高圧下でのバンド構造 (左) 、バンド構造の模式図 (右上) EFはフェルミ粒子である電子によって占められている最高準位 (フェルミ準位) を示す。高圧下での結晶構造 (右下) この結晶では対称性により、 Pd(1)とPd(2)という結晶学的に異なる2つの層が存在する。Pd(1)層のHOMO的な波動関数を持つバンドとPd(2)層のLUMO的な波動関数で構成されるバンドが重なり、ディラック分散が形成されている。」の画像

プレスリリースの図3: [Pd(dddt)2] の高圧下におけるディラック分散と結晶構造
第一原理計算により決定した高圧下でのバンド構造 (左) 、バンド構造の模式図 (右上) EFはフェルミ粒子である電子によって占められている最高準位 (フェルミ準位) を示す。高圧下での結晶構造 (右下) この結晶では対称性により、 Pd(1)とPd(2)という結晶学的に異なる2つの層が存在する。Pd(1)層のHOMO的な波動関数を持つバンドとPd(2)層のLUMO的な波動関数で構成されるバンドが重なり、ディラック分散が形成されている。




発表者・機関窓口

<発表者>
理化学研究所 加藤分子物性研究室
     主任研究員 加藤 礼三
      (かとう れいぞう)
     研究員 崔 亨波  (さい きょうは)
物質・材料研究機構
     若手国際研究センター (ICYS)
     ICYS-Namiki研究員 圓谷 貴夫
      (つむらや たかお)
      (理化学研究所 加藤分子物性研究室
     客員研究員)

     国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
     (MANA)
     MANA主任研究者 宮崎 剛
     (みやざき つよし)
名古屋大学 大学院理学研究科
     名誉教授 鈴村 順三
      (すずむら よしかず)
<機関窓口>
理化学研究所 広報室 報道担当
TEL: 048-467-9272
FAX: 048-462-4715
E-Mail: ex-press=riken.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
物質・材料研究機構 経営企画部門 広報室
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
名古屋大学 広報渉外課
TEL: 052-789-2016
FAX: 052-788-6272
E-Mail: kouho=adm.nagoya-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
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