中途半端な価数の新化合物の物性・構造を明らかに ~物質の電磁気的性質の理解に役立つ発見~

2026-06-04 大阪公立大学

大阪公立大学を中心とする国際共同研究チームは、フラーレン(C60)が通常研究される価数状態の中間にあたる「−5価」の状態を持つ新しい金属フラーレン化合物の構造と電子物性を解明した。研究では、従来用いられていたバリウムの代わりに、より小さい希土類金属イッテルビウム(Yb)を導入することで結晶格子体積を縮小し、これまで困難だった−5価フラーレンの詳細な評価を可能にした。その結果、C60分子の配向変化を伴う新たな結晶構造を発見するとともに、Ybがほぼ純粋な+2価状態をとることを明らかにした。さらに、この化合物は超伝導を示さなかったものの、広い温度範囲で安定した金属状態を維持することが判明した。理論計算と実験結果の比較から、電子間相互作用と伝導帯幅が拮抗することがその要因であると示された。本成果は、強相関電子系やフラーレン系超伝導体の理解を深めるとともに、新しい超伝導材料や炭素系機能性材料の設計指針につながる重要な知見を提供する。

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図 “中途半端な価数”のフラーレン化合物の合成・結晶構造・電子構造

<関連情報>

単一ホール多バンドp軌道分子系における金属状態の存続 Survival of the metallic state in a single-hole multiband p-orbital molecular system

Keisuke Matsui,Ryan A. Klein,Naoya Yoshikane,John Arvanitidis,Matjaž Gomilšek,Urh Klopčič,Shogo Kawaguchi,Hitoshi Yamaoka,Nozomu Hiraoka,Hirofumi Ishii,Qiang Zhang,Shigeo Mori,Hiroki Ishibashi,Yoshiki Kubota,Craig M. Brown,Denis Arčon & Kosmas Prassides
Nature Communications  Published:26 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73095-z

Abstract

Strong correlations and ferromagnetic Hund’s coupling lead to diverse electronic phenomena in transition-metal oxides that sensitively depend on the d-orbital electron filling. Fullerides, their p-electron counterparts, exhibit effective antiferromagnetic Hund’s coupling in a different energy range. At half-filling (n = 3, three electrons in triply degenerate orbitals), both d– and p-electron systems are Mott insulators due to strong correlations and Hund’s coupling. Away from half-filling, in single-electron/hole (n = 1,5) d-orbital systems, Hund’s coupling opposes the correlations, reducing the Mott gap and allowing survival of metallicity. Here we report a single-hole multiorbital correlated p-electron system, orthorhombic-structured Yb2CsC60 comprising pentavalent C605− anions, which also exhibits a robust metallic state with no Mott transition, just like in the metastable single-electron cubic-structured CsC60. We assert that particle−hole symmetry holds well in (n = 1,5) fullerides and that their p-electron-derived states are analogous to those in d-orbital solids, providing impetus for further study of these correlated systems.

1701物理及び化学
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