【発表のポイント】

• 分子性有機物質^{（解説1）}において、異常に大きく減衰した格子励起^{（解説1）}を初めて発見
• 減衰の原因として格子と電子誘電性^{（解説2）}の結合を新提案
• 分子性有機物質の電子誘電性の機構解明が期待

【概要】

一般財団法人総合科学研究機構中性子科学センターの松浦直人副主任研究員、中尾朗子副主任研究員、東北大学金属材料研究所の佐々木孝彦教授、井口敏准教授らは、仏国のラウエ?ランジュバン研究所、独国のミュンヘン研究用原子炉での中性子非弾性散乱実験により、分子性有機物質で、異常に大きく減衰した格子励起を世界で初めて発見しました。

この状態は、物質中を動きまわっているパイ電子^{（解説1）}が分子上に徐々に局在化する50-60K以下で始まり、さらに低温の27Kでパイ電子の電荷とスピン^{（解説1）}がそれぞれ秩序化すると同時に解消することを観測しました。このことは、パイ電子の動きと格子励起が密接に関係しあっていることを示しています。

また、通常の強誘電体^(解説2)とは異なり、格子の対称性が低下しない（格子の位置がずれていない）ことから、この物質が示す誘電性は、電荷やスピンの自由度により分極が発生する電子誘電性由来であることも明らかになりました。

本研究は、分子性有機物質における中性子非弾性散乱を用いた物性研究を加速する成果です。

本研究成果は、米国の科学雑誌「Physical Review Letters」のオンライン版に7月10日付で掲載されました。

【解説】

■解説1 分子性有機物質?二量体?格子励起?パイ電子?スピン?中性子非弾性散乱実験について

炭素、水素、窒素、硫黄などの軽元素からなる有機分子が集まってできた物質を分子性有機物質と呼びます。本研究に用いられた分子性有機物質κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Clを示します。

図中の赤丸は二量体化した２つの分子によるユニットです。二量体とは２つの分子が分子間に働く力や構造的な配置により１つのユニットとしてまとまったものです。この二量体間は弱いバネでつながっていますが、二量体中の分子同士は強いバネでつながっていて振動しています。このような振動は波として物質中に伝わり、波は固有のエネルギー値をもちます。このような物質を構成する分子や格子に起こる波を格子励起といいます。

原子が2個ずつ電子を出し合って結びつく2重結合には、シグマ結合、パイ結合という2種類の結合があります。シグマ結合は結合力が強く、シグマ結合を担うシグマ電子は結合間に局在する一方、パイ結合の結合力は弱く、パイ結合をになうパイ電子は物質全体に広がっています。青丸は50-60K以下で二量体内に閉じ込められたパイ電子を示し、青矢印はパイ電子の持つスピン自由度（アップとダウン）を示しています。スピンとは電子がもつ自由度の1つで、電子はアップとダウン、２つの状態を持ち、磁石の性質の基になっています。二量体中に閉じ込められた後でも、パイ電子には、どちらかの分子に偏る運動の自由度が残ります。

中性子非弾性散乱実験では、中性子を試料に照射し、中性子と試料とのエネルギーのやり取りを精密に測定することにより、格子励起やスピンの励起や揺らぎを調べることができます。

■解説2 電気分極?電子誘電性?強誘電体?強誘電性について

電場により＋と－の電荷を帯びた格子の位置がずれたり、電子が偏ったりすることを電気分極と呼び、分極を起こす物質を誘電体、分極が生じる性質を誘電性といいます。

特に電子の偏りやスピンによって引き起こされる誘電性は電子誘電性と呼ばれ、近年、注目を集めています。

さらに、電場をゼロにしても電気分極が残り、電場の向きにより分極の向きを反転できる物質を強誘電体と呼び、そのような性質を強誘電性といいます。

κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Clは電子誘電性発現の候補物質の一つです。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究内容について）
東北大学金属材料研究所
教授　佐々木孝彦
E-mail: takahiko*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
TEL：022-215-2025, FAX：022-215-2026

（報道担当）
東北大学金属材料研究所
情報企画室広報班　冨松（横山）美沙
Email：pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
TEL：022-215-2144, FAX:022-215-2482