有機半導体における電子相関の発達を初めて観測 ~電子相関発現のメカニズム解明と量子エレクトロニクスの発展に貢献~

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2025-04-10 東京大学,筑波大学,東京科学大学,科学技術振興機構

東京大学大学院新領域創成科学研究科の竹谷純一教授らの研究チームは、筑波大学、東京科学大学、科学技術振興機構(JST)との共同研究により、有機半導体における電子相関効果の発達を世界で初めて観測しました。この研究では、単結晶有機半導体C₈-DNBDTに高密度の正孔をドーピングし、絶縁体から金属への転移後に電子相関効果が発現する様子を明らかにしました。従来、電子相関効果は主に有機導体や銅酸化物などのハーフフィリング系で研究されてきましたが、本研究はバンド絶縁体からのアプローチに成功し、電子相関発現のメカニズム解明に大きく貢献するものです。この成果は、量子エレクトロニクスや高温超伝導への応用が期待されます。

<関連情報>

高濃度有機二次元ホールガスにおける電子相関の進化 Evolution of electronic correlation in highly doped organic two-dimensional hole gas

Naotaka Kasuya,Tomoki Furukawa,Hiroyuki Ishii,Nobuhiko Kobayashi,Kenji Hirose,Hideaki Takayanagi,Toshihiro Okamoto,Shun Watanabe & Jun Takeya
Nature Communications  Published:10 April 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-58215-5

有機半導体における電子相関の発達を初めて観測 ~電子相関発現のメカニズム解明と量子エレクトロニクスの発展に貢献~

Abstract

Strong electron correlation is the essential mediator that creates various exotic phases in two-dimensional electronic systems which has been continuously intriguing in modern condensed-matter physics. Such electronic states as Mott insulators, charge orders, and high-temperature superconductivity would be simply Fermi-degenerated metals unless the strong correlation plays essential roles. However, how it emerges, particularly to overcome screening effects upon doping band insulators, has not been experimentally studied. In this study, we report evolution of a strongly correlated electron system from a band-insulating organic semiconductor. Carriers are continuously doped via electric double layers up to a density of 1014 cm−2. Notably, significant deviations from a simple metallic system are observed even at far from half-filled band, possibly due to charge-order instability. The findings reveal that off-site Coulomb energy can compete with Thomas–Fermi screening. This competition enables the emergence of strongly correlated exotic phases, even in systems distant from Mott insulators.

0403電子応用
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