相対論が化学結合に与える影響を初めて直接観測(Researchers get first look at how relativity alters a chemical bond)

2026-08-06 ワシントン州立大学(WSU)

ワシントン州立大学(WSU)の研究チームは、相対論効果が化学結合に及ぼす影響を初めて直接観測することに成功した。重元素では電子が光速に近い速度で運動するため、アインシュタインの特殊相対性理論に由来する相対論効果が電子軌道や化学結合の性質を大きく変化させることが理論的に知られていたが、その実験的検証は困難であった。研究では、高精度分光測定と高度な量子化学計算を組み合わせることで、相対論効果による結合長や電子密度、結合エネルギーの変化を詳細に解析し、その影響を直接確認した。この成果は、金や白金、水銀など重元素が示す特異な化学的・物理的性質の理解を深めるだけでなく、触媒材料や量子材料、先端機能材料の精密設計にも重要な知見を提供する。また、特殊相対性理論と量子化学を結び付ける基礎科学上の重要な成果として、今後の化学・材料科学の発展に大きく貢献すると期待される。

<関連情報>

CBi−分子イオンにおける古典的な三重結合の相対論的崩壊 Relativistic collapse of the classical triple bond in the CBi− molecular ion

Deniz Kahraman, Jie Hui, Xin-Yu Zhang, Neil A. Ellis, […] , and Lai-Sheng Wang
Science  Published:9 Jul 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aei1285

Abstract

The conventional framework for chemical bonding between main-group elements involves separate σ and π orbitals to describe multiple bonds. However, relativistic effects mix these orbitals in molecules containing heavy elements through spin–orbit coupling, leaving the total angular-momentum projection (ω) as the only good quantum number. Direct experimental evidence that relativistic effects change the σ-π bonding framework has remained elusive. Here, we probe the carbon-bismuth triple bond in the CBi anion using high-resolution cryogenic photoelectron spectroscopy, coupled with relativistic four-component Dirac-Coulomb coupled-cluster calculations. Even though the CBi anion is isovalent to the well-known CN species, we demonstrate that the traditional σ + 2π triple-bond picture collapses into a pure π-like |ω| = 3/2 and two |ω| = 1/2 Kramers pairs containing substantial σ/π mixing.

1701物理及び化学
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