光子と電子の中間のような電子~化学で作る不思議な粒子の振舞い~

2025-09-04 愛媛大学

愛媛大学の内藤俊雄教授らの研究グループは、有機分子材料を用いて「光子と電子の中間のような振る舞いをする電子状態」を実現することに成功しました。研究対象となったBETS系有機分子結晶(α-BETS₂Xおよびα′-BETS₂Y)は、通常の物質には見られない線形分散を持つバンド構造を有し、これに由来する特異な磁性挙動を示しました。この性質は、電子があたかも光子のように質量を持たずに運動する「ディラック電子」に類似しており、新しい量子物性の理解や応用につながる可能性があります。本成果は、電子と光子の境界領域に位置する不思議な粒子の存在を有機分子化学から創出したものであり、次世代エレクトロニクスや量子材料開発の基盤となることが期待されます。成果は米国化学会誌 The Journal of Physical Chemistry Letters に掲載されました。

光子と電子の中間のような電子~化学で作る不思議な粒子の振舞い~
イメージ図 (アインシュタインの相対性理論をもとにディラックが予言した光のような不思議な電子(ディラック電子)。物質中では例えば砂時計の形をしたバンドと呼ばれる入れ物に入っており、その細い繋目を通って上に行ったり下に行ったりします。)

<関連情報>

Universal Features of Magnetic Behavior Originating from Linear Band Dispersion: α-BETS2X and α′-BETS2Y (BETS = Bis(ethylenedithio)tetraselenafulvalene, X = IBr2, I2Br, Y = IBr2, ICl2) 線形分散を持つバンド構造に由来する普遍的な磁性の特徴:α-BETS2X 及びα’-BETS2(BETS =ビス(エチレンジチオ)テトラセレナフルバレン, X = IBr2, I2Br, Y = IBr2, ICl2)

Sakura Hiramoto,Koki Funatsu,Kensuke Konishi,Haruhiko Dekura,Naoya Tajima,and Toshio Naito
The Journal of Physical Chemistry Letters  Published: August 26, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02197

Abstract

Unpaired electrons located at linear band dispersion (LBD) are exceptional and are called Dirac electrons (DE). They are given attention because of the unique electronic properties such as temperature (T)-independent resistivity, as if they belong to neither metallic nor nonmetallic substances. Meanwhile, universal features in magnetic behavior remain to be discovered. New organic DE systems, α-BETS2X and α′-BETS2Y (BETS = bis(ethylenedithio)tetraselenafulvalene, X = IBr2 and I2Br, Y = IBr2 and ICl2), were investigated using the X-ray single-crystal structural analyses, electrical resistivity and magnetic susceptibility (χ) measurements, and band structure calculations. They all exhibited an approximately linear T-dependence of χ, which was directly related to the LBD based on our proposed models. The findings will turn scientists’ attention to the physical properties of organic DE at ambient temperature, as dynamics of DE have recently garnered increasing interest.

0403電子応用
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