分子の”集団的ふるまい”が結晶を動かす――分子の整列と結晶の変形が手を取りあう新しい状態 「協奏的超構造」を発見――

2026-08-06 東京大学

東京大学を中心とする研究グループは、層状量子材料二セレン化ニオブ(NbSe₂)の層間に有機分子を挿入した分子インターカレーション超格子において、分子の整列と無機結晶の長周期変形が同時に生じる新しい物質状態「協奏的超構造(Cooperative Superstructure:CSS)」を世界で初めて発見した。放射光X線回折やラマン分光、ARPES解析により、分子配列と結晶格子の周期のわずかな不整合からモアレ超構造が形成されることを実証した。さらに、この相転移は有機分子の緩やかな集団運動に律速されるため、冷却速度を変えるだけで、分子が規則正しく並んだ平衡状態(CSS)と、無秩序な状態を凍結した準安定状態を作り分けられることを示した。本成果は、ソフトマターと量子材料の物理を融合する新しい概念を提示し、温度操作によって電子状態や機能を制御できるハイブリッド界面・超格子材料の設計や、次世代量子材料・機能性デバイスの開発につながると期待される。

分子の”集団的ふるまい”が結晶を動かす――分子の整列と結晶の変形が手を取りあう新しい状態 「協奏的超構造」を発見――
分子動力学に駆動された協奏的超構造の発現

<関連情報>

分子インターカレーション超格子における秩序・無秩序ダイナミクスを介した協同的な超構造の出現 Emergent cooperative superstructures via order-disorder kinetics in molecular intercalation superlattices

Taiga Ueda, Hideki Matsuoka, Shungo Aoyagi, Shunsuke Kitou, […] , and Naoya Kanazawa
Science Advances  Published:5 Aug 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aeg4785

Abstract

Molecular intercalation superlattices, formed by inserting organic molecules into van der Waals crystals, create inorganic-organic hybrid interfaces that have enabled a variety of emergent phenomena. Traditionally, the intercalated molecules have been regarded as inactive spacers, while their collective ordering have remained largely unexplored. Here, we report the discovery of a cooperative superstructure phase in molecule-intercalated niobium diselenide (NbSe2), where ordering of the guest molecules induce a superstructure in the NbSe2 host lattice, characterized by a moiré structure due to incommensurability between molecular and inorganic lattices. Thermal-quench measurements show that the transition is governed by slow order-disorder kinetics, contrasting with fast charge or magnetic ordering in inorganic solids. Our findings establish molecular ordering as a route for engineering heterointerfaces, enabling thermally programmable superstructures.

1701物理及び化学
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