世界初、超高性能熱電半金属に潜む「プラズモニックポーラロン」を直接観測―半金属は熱電材料にならないという常識を覆す―

2026-03-04 京都大学

京都大学の吉田鉄平教授らの研究グループは、半金属でありながら極めて高い熱電性能を示す準一次元物質Ta₂PdSe₆において、新しい準粒子状態「プラズモニックポーラロン」を世界で初めて直接観測した。研究ではKEKフォトンファクトリーなどの放射光施設で角度分解光電子分光(ARPES)を用いて電子状態を詳細に解析。その結果、軽く寿命の長い正孔と、強い散乱を受ける電子という非対称なキャリア構造を確認した。さらに電子バンドにのみ現れるレプリカ構造が、電子とプラズモンの結合によるプラズモニックポーラロンに由来することを明らかにした。これにより、電子と正孔が互いの効果を打ち消すため熱電性能が低いとされてきた半金属の常識を覆し、半金属を新たな高効率熱電材料として利用できる可能性が示された。

世界初、超高性能熱電半金属に潜む「プラズモニックポーラロン」を直接観測―半金属は熱電材料にならないという常識を覆す―
角度分解光電子分光(ARPES)により観測したバンド分散を示している。

<関連情報>

超高出力因子を有する熱電半金属Ta 2 PdSe 6におけるバンド選択性プラズモニックポーラロン Band-selective plasmonic polaron in thermoelectric semimetal Ta2PdSe6 with ultra-high power factor

Daiki Ootsuki,Akitoshi Nakano,Urara Maruoka,Takumi Hasegawa,Masashi Arita,Miho Kitamura,Koji Horiba,Teppei Yoshida & Ichiro Terasaki
npj Quantum Materials  Published:05 February 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41535-026-00858-8  Unedited version

Abstract

We report the electronic structure of the thermoelectric semimetal Ta2PdSe6 with a large thermoelectric power factor and giant Peltier conductivity by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). The ARPES spectra reveal the coexistence of a sharp hole band with a light electron mass and a broad electron band with a relatively heavy electron mass, which originate from different quasi-one-dimensional (Q1D) chains in Ta2PdSe6. Moreover, the electron band around the Brillouin-zone (BZ) boundary shows a replica structure with respect to the energy originating from plasmonic polarons due to electron-plasmon interactions. The different scattering effects and interactions in each atomic chain lead to asymmetric transport lifetimes of carriers: a large Seebeck coefficient can be realized even in a semimetal. Our findings pave the way for exploring the thermoelectric materials in previously overlooked semimetals and provide a new platform for low-temperature thermoelectric physics, which has been challenging with semiconductors.

0703金属材料
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