プレスリリース・研究成果

電子とプロトンの連動による新しい量子液体状態の発見

東北大学金属材料研究所の橋本顕一郎助教、佐々木孝彦教授らの研究グループは、東京大学物性研究所の下澤雅明助教、上田顕助教、森初果教授、山下穣准教授らの研究グループ、および東北大学大学院理学研究科物理学専攻の中惇助教(研究当時、現:早稲田大学高等研究所助教)と石原純夫教授の研究グループと共同で、物質中における電子とプロトン(水素イオン)の連動による新しい量子液体状態を世界で初めて発見しました。
 電子は、電荷とスピンを持っており、これらが物質の電気を流す性質(伝導性)や磁石の性質(磁性)などを決めています。水素もまた、物質の性質や機能と深く関連しており、例えば、分子やイオンを、水素を介して結合させること(水素結合)で、電気を蓄える性質(誘電性)を制御することができます。この両者に対する研究は80年以上前から行われてきましたが、水素結合が電子と連動した際に、どのような物理状態が現れるかは分かっていませんでした。同研究グループは、磁性を担う電子のスピンと誘電性を担う水素結合中のプロトンを上手く繋ぎ合わせることで、電子スピンとプロトンの振動が両方とも絶対零度(マイナス273 .15°C)においても凍結することなく揺らぎ続ける、これまでにない量子力学的な液体状態(量子常磁性・量子常誘電状態)を発見することに成功しました。  本研究成果は、電子とプロトンの連動性を利用して磁性・誘電性を同時に制御できる可能性を示しており、新規デバイスへの展開が期待されます。
 本成果の詳細は、2017年11月28日発行の英国のオンライン科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。
 
詳細1: プレスリリース本文 [PDF 820KB]
詳細2: Nature Communicationsウェブサイト[10.1038/s41467-017-01849-x]
 

本研究の概念図。水素結合上のプロトンが動くことで、電荷の偏りが現れて誘電性が生じる。質量の軽いプロトンは、低温でも量子揺らぎによって動きやすい特徴を持つ。一方、電子のスピンは物質の磁性を担う。本研究では、プロトンと電子が連動する新しい研究の舞台に着目した。