結晶の中に潜む「隠れた分子」を発見――放射光が解き明かす非磁性絶縁体の謎――

2026-05-20 東京大学,理化学研究所,高輝度光科学研究センター,科学技術振興機構

東京大学、理化学研究所、高輝度光科学研究センターらの研究グループは、ニオブ酸化物結晶Y2Nb2O7の内部に、従来の結晶解析では検出できなかった「隠れた分子」を発見した。研究では、大型放射光施設SPring-8を用いた高感度X線回折実験と逆モンテカルロシミュレーションを組み合わせ、通常の回折強度の1万分の1以下という極めて微弱な散漫散乱を解析した。その結果、4つのニオブ原子が直線状に集まり、分子のように振る舞う「四量体」を形成していることを明らかにした。この四量体では分子軌道が形成され、電子同士が対を作ることで磁性が打ち消され、さらにエネルギーギャップが生じることで絶縁体状態が実現することが分かった。長年謎だった「非磁性絶縁体」の起源を分子軌道の観点から説明した成果であり、結晶中の短距離相関や局所構造を可視化する新解析法の有効性を示した。今後は量子物質や機能性材料の未知の物理現象解明への応用が期待される。

結晶の中に潜む「隠れた分子」を発見――放射光が解き明かす非磁性絶縁体の謎――
結晶中に潜む四量体型の金属分子

<関連情報>

非磁性パイロクロアニオブ酸塩における線状四量体形成 Linear Tetramer Formation in Nonmagnetic Pyrochlore Niobate

Shota Nishida, Shunsuke Kitou, Shingo Toyoda, Yuiga Nakamura, Yusuke Tokunaga, and Taka-hisa Arima
Physical Review Letters  Published: 19 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/qq1h-lgbc

Abstract

We investigate displacive short-range order in pyrochlore Y2⁢Nb2⁢O7, which exhibits a nonmagnetic insulating state despite the presence of formally tetravalent Nb4+ (S=1/2) ions on the pyrochlore network. Synchrotron x-ray diffraction on a single crystal reveals a characteristic x-ray diffuse scattering (XDS) pattern primarily around q={0.5,0.5,2}. Reverse Monte Carlo (RMC) simulations uncover local Nb displacements along the ⟨111⟩ axes, leading to the formation of linear Nb4 tetramers. Our findings highlight a crucial role of molecular orbital degrees of freedom in stabilizing the nonmagnetic insulating state. This study demonstrates that RMC analysis of XDS provides a powerful approach for elucidating short-range correlations and the underlying mechanisms governing the physical properties of crystalline materials.

1701物理及び化学
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