第 14 回日本物理学会若手奨励賞 (領域 8) を受賞して物質設計評価施設
この度、第 14 回日本物理学会若手奨励賞(領域８)を受

平井 大悟郎いうことが認識されるようになっていました。

賞する栄誉に恵まれました。受賞の対象となった研究課題「5d 遷移金属化合物の物質開発と強相関電子物性の開拓」

私はそのような状況において 5d 遷移金属化合物の物質

は、2015 年に物性研に着任してからスタートした研究で、開発を行い、レニウム(Re)を含む化合物において多極子

これまで 5 年間取り組んできた研究成果を評価していただ[1]、量子磁性[2]、多色性[3]という性質を示す物質を見出きました。廣井善二先生をはじめとして、お世話になったし、その結果をまとめた 3 編の論文が今回の受賞対象論文すべての方々にこの場を借りて深く感謝申し上げます。となりました。

5d 遷移金属化合物は、周期表の第 6 周期にある遷移元

私は物性研に着任したとき、最初に、Re 化合物を研究

素(5d 元素)を含む物質群です。周期表のだいぶ下の方にすると決めました。5d 化合物の研究は世界中で行われるあるので、5d 元素にどのような元素があるのかを全て思ようになっていましたが、比較的合成が簡単な Ir の化合い浮かべることができる人は少ないのではないでしょうか。

物に研究が集中していました。廣井研が過去に Cd2Re2O7

有名なものは白金(Pt)や金(Au)で、化合物をつくるイメーという超伝導体の研究を行っており、合成設備が整っていジはあまりないと思います。実際、白金や金は反応性が低るということも一つの理由ですが、やっている人が少ない

く、時間を経ても変化しない性質から、宝飾品として重宝から新しい「もの」に出会う確率が高いだろうと考えたかされていますし、実験に使う反応容器などとしても利用さらです。また、物性研に来る前にプリンストン大でポスドれます。また、これらの金属の稀少性も私たちの心を惹きクをした時、R. Cava 先生から「君はタングステン(W)をつける理由の一つでしょう。5d 元素は銅や鉄といった 3dやって欲しい」と言われたことが頭の片隅にあったのかも元素と比較すると、地殻における存在率は圧倒的に小さく、しれません。なら、次は周期表でお隣の Re にしようかと。

レアメタルとして知られています。反応性の低さと稀少性

廣井研は、合成設備は整っていましたが、Cd2Re2O7 ののため、天然に産出する化合物はもちろんのこと、これま研究が行われていたのは 2000 年ごろだったため、合成のでに合成された 5d 遷移金属化合物の数も非常に限られてノウハウなどは手探りで研究を始めました。始めてみるといます。逆に言えば、5d 遷移金属化合物の物質開発には、Re 化合物が非常にユニークであることがわかりました。

広大な未開拓の領域が存在しているということになります。

合成の原料に使う単純な酸化物でも Re7+の Re2O7、Re6+の物質の報告例が少ないため、物性という観点でも 5d 遷

ReO3、Re4+の ReO2 と様々な価数をとるものが存在します。

移金属化合物はあまり注目されてきませんでしたが、近年、性質もバラバラで、薄緑で透明な Re2O7 は、空気中の水分5d 化合物の物性が次々と明らかになり、多くの研究が行を吸ってすぐに「べちゃべちゃ」になり、熱するとわれるようになってきています。2009 年に、私が学位を100 ℃ちょっとで昇華します。ReO3 は鮮やかな赤色の金取得した東京大学新領域創成科学研究科の高木英典先生

属で、非常に良い伝導性を示します。ReO2 もよい金属伝(現マックスプランク研究所)のグループは有馬孝尚先生

導を示しますが、こちらは地味な灰色の粉です。この中で(東大新領域)のグループと協力して、5d 元素のイリジウRe2O7 がもっとも手に入りやすい試薬ですが、実験を始めム(Ir)を含む化合物において、スピンと軌道が結合した電てみるとアンプルに入った高純度の試薬でも水分を含んで子状態を実験的に明らかにしました。その後、この電子状いることが分かりました。そこで、低温で昇華する性質を態をうまく利用した Kitaev スピン液体などの研究が花開利用して試薬を精製し、自前で純良性のよい原料を用意しいています。私が物性研に着任した 2015 年頃には、これました。この原料を使い合成した高品質な試料があってこまで強相関電子物性研究の中心的舞台であった 3d や 4f 電そ、今回受賞に至った研究を成し遂げることができました。

子系とは異なる、ユニークな物性が 5d 電子系で現れると

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物性研だより第 60 巻第 4 号■■■ ■ ■ ■■

私が最初に取り組んだのは、受賞対象論文の中で最後にたが、Ca3ReO5Cl2 の場合、配位子場によって 5d 軌道が大論文になった、「d 電子系の多極子」の観測[1]です。5d 電きく分裂することで軌道角運動量は消失し、スピン 1/2 の子系の特徴は、強いスピン軌道相互作用にあります。スピ量子磁性体となっています。これは逆に考えると、スピンンと軌道が結合することで形成される多極子自由度の秩序

軌道相互作用が強く量子磁性のモデルには適していないとは、まさに 5d 電子系の特徴をよく現す物性と考え、ター思われる 4d、5d 電子系でも、複合アニオン配位を利用すゲットに定めました。電子数や結晶構造から候補物質を絞ることで量子磁性体研究の舞台となりえることがわかりまり、粉末試料の物性測定を行うことで、いくつかの物質がした。

多極子秩序を示す有力な候補であることを突き止めました。

このように大きな回り道をしましたが、最終的にここから、多極子秩序の観測のために単結晶育成を始めまBa2MgReO6 という物質において多極子の秩序を観測するした。ある朝、フラックス法によって育成した候補物質ことができました[3]。こちらも詳細については物性研だ

Ca3ReO6 の単結晶を取り出してみると、平板状の透明なよりの他の記事(60 巻 4 号)で紹介しています。多極子秩茶色い結晶と緑の結晶が混ざってできていました。狙った序を観測するまでの道のりも決して平坦でなく、何度も放物質は黒い八面体の結晶なので、失敗は明らかでした。何射光施設へ足を運び、少しずつ全容がわかりました。外堀ができたのか顕微鏡で確認してみて驚きました。茶色だとを埋めていき、最終的に決定的なデータが観測されたとき思っていた結晶が、ピンセットでつまんで持ち上げると、は、Ca3ReO5Cl2 を見つけた時とは異なる感動がありまし

いつの間にか緑色に変わっていたのです。詳しく調べると、た。

この結晶はフラックスの CaCl2 が原料と反応してできた
Ca3ReO5Cl2 という新物質でした。そして Ca3ReO5Cl2 は、Ca3ReO5Cl2 の多色性のように、物質合成をしていると見る方向や入射光の偏光方向によって色が変化する「多色思いがけない物質との出会いがあります。このような偶然性」という光学特性を持つことが分かりました[2]。詳細の出会いは、物質開発の醍醐味ですし、私の大きなモチにご興味がある方は物性研だよりの記事(第 57 巻 4 号)をベーションとなっています。新物質・新現象との出会いは、ご覧いただければと思います。Ca3ReO5Cl2 が多色性を示

瞬間的な感動だけでなく、その後、研究を進める過程で、すポイントは、Re に塩素と酸素の両方が配位する複合ア

新しい測定手法、研究領域、そして共同研究者との出会いニオン配位にあります。2 種類のアニオンが配位することという継続的な楽しみを与えてくれました。私は物性研にで、Re サイトの局所的な反転対称性が破れ、d 軌道から着任してから 6 年間、Re 化合物から多くのことを学びま非占有の d 軌道への光による電子遷移が許されて様々な波した。最近でも次々に面白いものが見つかり、まだまだ長の光を吸収できるようになります。さらに、低対称な配Re から離れられそうにありません。今後も今回の受賞を位子場の向きが揃っていることにより多色性が発現し、劇励みに、「新しい物質が物性物理の新しい領域を作る」と的に色が変化する性質につながっています。

いう信念のもと、面白い性質を持った新しい物質を発信しCa3ReO5Cl2 は、光学特性以外でも驚かせてくれました。
その Re6+イオンは 5d 電子を 1 つ持っており、絶縁体なのていくことで、物質科学の発展に貢献していきたいと考えております。

で局在磁性を示します。結晶構造から考えると、Re は三次元的に配列しているため、単純な反強磁性秩序ができているのだろうと思い磁化率の測定を行いました。ところが、受賞対象論文

予想に反して明確な磁気転移が観測されず、低次元磁性体[1] "Successive Symmetry Breaking in a Jeff = 2 Quartetに特徴的なブロードなピークが現れました。この低次元磁in the Spin Orbit Coupled Insulator Ba2MgReO6"性にも複合アニオン配位が重要な役割を果たしています。

D. Hirai and Z. Hiroi, J. Phys. Soc. Jpn. 88, 064712

低対称配位子場によって電子が dxy 軌道を選択的に占有す(2019).

ることで、電子間の磁気相互作用が 2 次元的になります。

[2] "One dimensionalization by Geometrical Frustration

そしてできた 2 次元三角格子の幾何学的フラストレーショ

in the Anisotropic Triangular Lattice of the 5dンの効果によりさらに次元性が低下し、あたかも 1 次元磁Quantum Antiferromagnet Ca3ReO5Cl2"性体のような振る舞いを示すことがわかりました[2]。5dD. Hirai, K. Nawa, M. Kawamura, T. Misawa, and Z.

電子系の特徴は強いスピン軌道相互作用だと上で述べましHiroi, J. Phys. Soc. Jpn. 88, 044708 (2019).

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22[3] " 'Visible' 5d Orbital States in a PleochroicOxychloride",
D. Hirai, T. Yajima, D. Nishio-Hamane, C. Kim, H.
Akiyama, M. Kawamura, T. Misawa, N. Abe, H.
Arima, and Z. Hiroi, J. Am. Chem. Soc. 139, 10784(2017).

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