2024-09-19 東北大学
大学院理学研究科 物理学専攻
教授 岩井伸一郎（いわいしんいちろう）
【発表のポイント】
- 代表的な量子物質（注1）である酸化バナジウム（III）のナノ結晶において、光照射で結晶方位が変化する逆強弾性転移（注2）が、従来の熱膨張を介する過程よりも100倍高速に起こることを発見しました。
- 高速な構造変化の機構が、量子物質が示す光誘起絶縁体―金属転移によるひずみ波の伝搬であることを解明しました。
【概要】
光による固体の結晶構造（対称性）の変化は、非接触の超音波トランスデューサー（注3）など光ー力学エネルギーの高速変換の原理として産業応用されることが期待されています。しかし現在の技術は熱膨張を介しているため、ナノ（10億分の1）秒以下の高速、言い換えるとギガ（10億）ヘルツ以上の高い周波数での応答は困難でした。
東北大学大学院理学研究科の岩井伸一郎教授と天野辰哉助教、名古屋大学大学院工学研究科の岸田英夫教授、仏レンヌ第一大学物理学科/仏国立科学研究センター（CNRS）のMaciej Lorenc 博士とHerve Cailleau教授、仏ナント大学Jean Rouxel材料研究所/CNRSのEtienne Janod 博士らの国際研究グループは、モット絶縁体（注4）と呼ばれる量子物質のナノ結晶を用いることにより、巨視的な結晶対称性の変化（逆強弾性転移）が、3 ピコ（1兆分の1）秒という、熱膨張を介する場合の100分の1の短時間で完了することを発見しました。こうした高効率、超高速な構造変化は、新規な光音響デバイスの原理として応用が期待できます。
この成果は科学誌Nature Physicsに2024年9月17日にオンライン掲載されました。
図1.モット絶縁体V2O3の圧力ー温度相図と本研究で行った「コヒーレントなひずみ波が誘起する結晶対称性変化」の模式図。V2O3は圧力や温度の変化によって構造が変化し、絶縁体や金属のように相が変化する。モット絶縁体（単斜晶、図中の黄緑色の立体）にフェムト秒レーザーパルス（図中赤色の振動波形）を照射することによって金属（菱面体、図中のオレンジ色の立体）への変化、すなわち絶縁体ー金属転移が起きており、ひずみ波（圧力減少の波、図中白色の伝搬波形）のコヒーレント伝搬による高速な強弾性転移（単斜晶→菱面体）が起きていることがわかった。
【用語解説】
注1. 量子物質：電子の量子多体効果や、幾何学特性が支配する機能性物質（例えば前者は強相関電子系、後者はいわゆるディラック電子系、トポロジカル絶縁体など）は、近年総称して、量子物質と呼ばれている。電子が持つ多自由度（電荷、スピン、軌道）やそれらの間の相互作用を利用した機能も注目されている。本研究の舞台となるモット絶縁体は、量子物質（強相関電子系）の代表物質である。
注2. （逆）強弾性転移：結晶に外部から応力がかかっていない状態において、結晶構造が複数の（準）安定配置（対称性）を持ち、応力によってそれらの構造間で相転移を示すことを強弾性という。例えば、強誘電体KH₂PO₄は、強弾性を示す（対称性の高い構造から低い構造への転移を強弾性転移、逆方向の転移を逆強弾性転移と呼ぶ）。結晶対称性の変化は、しばしば電気分極を変化させるので、強誘電体との関係が議論されることも多いが、（V₂O₃のように）必ずしも強誘電性を示すわけではない。
注3. 超音波トランスデューサー：超音波洗浄機や超音波アトマイザーは、電歪材料や磁歪材料（電場や磁場で構造がひずむ物質：ピエゾ素子は電歪物質）を、時間的に振動する電場の周期的な振動で駆動させることを原理としている。こうした物質では、「力学的（機械的）な刺激によって電圧が生じる」という上記の逆過程も起こり、超音波センサーの原理として、このような電磁気学的なエネルギーと力学的なエネルギーを変換する装置を一般的に超音波トランスデユーサー（変換器）と呼んでいる。
注4. モット絶縁体：バンド理論に従えば、単位胞あたりの電子数が奇数個の場合（バンドが部分的にしか電子で満たされていない場合）、結晶は金属である。ところが、一部の遷移金属化合物や有機物では、電子数が奇数であるにもかかわらず、電子間クーロン斥力によるエネルギー損失を避けるために、各原子や分子上に局在する。このような電子相関に起因する絶縁体はモット絶縁体と呼ばれる。モット絶縁体では、クーロン斥力による局在化エネルギーと電子の運動エネルギーが拮抗しているため、バンドの占有数や圧力の印加によって絶縁体から金属へ転移する（モット転移）。
【論文情報】
タイトル：Propagation of insulator-to-metal transition driven by photoinduced strain waves in a Mott material（モット物質における光誘起歪波による絶縁体―金属転移の伝搬）
著者：Tatsuya Amano, Danylo Babich, Ritwika Mandal, Julio Guzman-Brambila, Alix Volte, Elzbieta Trzop, Marina Servol, Ernest Pastor, Maryam Alashoor, Jörgen Larsson, Andrius Jurgilaitis, Van-Thai Pham, David Kroon, John Carl Ekström, Byungnam Ahn, Céline Mariette, Matteo Levantino, Mickael Kozhaev, Julien Tranchant, Benoit Corraze, Laurent Cario, Mohammad Dolatabadi, Vinh Ta Phuoc, Rodolphe Sopracase, Mathieu Grau, Hirotake Itoh, Yohei Kawakami, Yuto Nakamura, Hideo Kishida, Hervé Cailleau*, Maciej Lorenc*, Shinichiro Iwai*, Etienne Janod*
*責任著者：東北大学大学院理学研究科 教授 岩井伸一郎
掲載誌：Nature Physics
DOI：10.1038/s41567-024-02628-4
問い合わせ先
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国立大学法人東北大学大学院理学研究科物理学専攻
教授 岩井 伸一郎（いわい しんいちろう）
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国立大学法人東北大学大学院理学研究科
広報・アウトリーチ支援室
