電流が溶かす電子の氷多くなると何かが変わる
名古屋大学理学部物理学科
寺崎一郎

Department of Physics, Nagoya University1

自然科学の未解決問題
宇宙の不思議もっと遠くには何があるのか
極微の世界の不思議
物質は何からできているか
この 2 つは、 「我々はどこから来たのか」という根源的な疑問に直結する、面白さが " 自明な " 問題
物理学は、少数の基本法則と少数の基本粒子がこの世の全てを形作っている・・・と信じている学問・・・しかし、

Science 309 (2005) 78

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いま、そこにある謎

我々の世界が、 100 に満たない種類の元素が膨大な数集まってできているならば、日常生活の全ての事柄が疑問となって浮上する
空が青く、木々が緑なのはなぜか
水は蒸気になったり凍ったりするのはなぜか
金属はぴかぴかでガラスは透明なのはなぜか
硬い柔らかい、電気を流す流さない、磁石になるならない、は何で決まるのか
Department of Physics, Nagoya University3多くなると何かが変わる

Department of Physics, Nagoya University

4More is different
アンダーソンの言葉

ひとつひとつが理解できても，たくさん集まるとすべてが変わる
水は 1 分子 H2O では凍らない，たくさん集めると凍る
たくさんの原子・電子を集めたときに何が起こるか？
「創発性｣（ emergence) の物理学

物質の性質を決めているのは電子だけなのに・・・
磁性体（ビデオテープ )誘電体( 携帯電話 )( リニアモータカー )超伝導体（コンピュータ )

半導体
光学材料

(DVD)

私たちは，物質の機能のすべてを予言できていない。
物質の物理学には至る所に知のフロンティアがある

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過去 25 年のノーベル物理学賞
1985 量子ホール効果

2000 半導体 LSI1986 電子顕微鏡と走査トンネル顕微鏡

2001 原子ガスのボーズー
アインシュタイン凝縮

1987 高温超伝導

2003 超伝導の理論

1989 イオントラップ

2005 量子光学

1991 ソフトマター

2007 巨大磁気抵抗

1994 中性子散乱

2009 光通信

1996 3He の超流動
1997 レーザー冷却1998 分数量子ホール効果

これ以外に化学賞をもらった物理学者もいる

Department of Physics, Nagoya University6物質の三態

液体と結晶の違いは？
→ 原子が規則正しく並んでいるかどうかの違い
Department of Physics, Nagoya University7

X 線・粒子線回折 ー 周期性を探る武器

X 線は、原子と原子の間の距離と同じくらいの波長をもった電磁波なので、結晶は回折格子のように振る舞い、特別な角度で回折する
Department of Physics, Nagoya University8液体から固体になると川崎テクノロジー株式会社 Web サイト
鉄が液体になると、 X 線回折でピークが消える→ ピークのあるなしで液体か固体かが区別できる
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9有機サイリスタ
絶縁体

電気伝導ブロック

絶縁体

層状の伝導面を持った有機物質
有機物の層を電気が流れる
強相関電子系と呼ばれる、電子どうしの相互作用が強い物質

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電気伝導ブロック

絶縁体 ba10強相関電子：

強く相関する系の物理

車 ( ＝電子 ) と交差点 ( ＝格子点 ) の問題
高速道路→他の車と衝突しない→車 1 台の問題
一車線→他の車の位置が問題→車全部が問題→車同士が相関している

小さな喫茶店
2 人がけのテーブル 10 セットに，一人ずつの客が 10 人 ( 空席 10 席 )→ 11 番目の客は座りにくい→ 相席の斥力
Department of Physics, Nagoya University11電子の氷 :

電荷秩序 / 電荷整列

この有機分子の上には、分子 2 個あたり 1 個の電子がいる
この電子は、互いにさけあいながら等間隔にならぼうとして、低温で動けなくなる ( 凍る )チェッカーボード型

右の図を結晶の中の分子の位置だと思うと、赤と青で塗り分けるようなパターンで電子が凍る( たとえば、赤は電子がいるところ、青が電子のいないところ )ストライプ型

Department of Physics, Nagoya University12単結晶の X 線回折

単結晶の向きは固定されているので、リングではなく、点々で回折点が現れる
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電子の氷は X 線ではどう見えるか
X 線写真
電子の液体

X 線写真
電子の氷

電子の氷のスポット
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X 線回折で捉えた電子の氷原子が作る結晶からの回折電子が作る結晶からの回折

Ito et al., EPL, 84 (2008) 26002
Department of Physics, Nagoya University15温度が上がると溶ける電子の氷

Ito et al., EPL, 84 (2008) 26002
Department of Physics, Nagoya University

16電流で溶ける電子の氷

Ito et al., EPL, 84 (2008) 26002
Department of Physics, Nagoya University

17流れる川は凍らない
電流は電子の流れ，電荷整列は電子の氷
流れる電子は凍らない

冬の寒い日に池の水は凍るけ
ど，川の水は凍らず流れる →流れる水の融点は低いはずだけど・・・
Department of Physics, Nagoya University18電流で溶ける電子の氷は役に立つ
抵抗が高い状態→ 電子は電荷整列状態となって動けない→ 「電子の氷」状態

抵抗が低い状態→「電子の水」状態→電子の氷は温度を上げると溶ける

抵
抗

電子の氷は電流を流しても溶ける！
電流
Department of Physics, Nagoya University(A)19オームの法則に従わない抵抗

電圧 = 抵抗 × 電流
V = R I
いま、 R が I の関数で、 I とともに急速に下がるで、 Vは I と比例しない。
抵抗が電流とともに小さくなるのが激しいと、電流を増やしても電圧は下がる。

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20電流ー電圧特性はサイリスタと同じPNP
N

電圧

電流2 つの安定な電圧値をもっているので、スイッチや発振回路に使う半導体素子半導体を微細加工で作るが、有機サイリスタは、単結晶試料が半導体素子のように振る舞う。
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有機インバータ

Vstd=IexRstd

Sawano, Terasaki et al. Nature 437 (2005) 522
Department of Physics, Nagoya University22有機サイリスタの特徴
X 線回折の強度分布から、電子の氷のサイズがわかる
数ナノメートルくらいの大きさ
自然が自己組織化して見せるナノテク
圧倒的に低い動作電圧
電流による電荷秩序の融解がポイント
10 A/cm2 ， 5 V/cm 程度
電荷秩序の大きさはナノサイズ (10 nm)→ 電圧降下 ( 動作電圧は ) 5x10-6 V
半導体の動作電圧はどんなに小さくなっても 0.1-1 V

高い集積率
微細加工せずにナノサイズが実現

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有機サイリスタでは 2 種類の電子の氷がある
Dihedral angle

θ-(BEDT-TTF)2MM’(SCN)4ca

有機サイリスタ

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共存する 2 つの氷は、氷でも水でもない

ほとんど水

赤い氷と緑の氷が半々で凍る

Temperature

J1J2J1 J2J 1 J2

Burgy et al. : PRL87(2001)277202

J2 − Jc

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磁場で抵抗が 1 億倍変わる物質
0T

0.3 T

1T

3T

5T

9T

電気の流れる部分 (Met) と流れない部分 (Ins) が共存し、磁場によって度合いが変わる
Phys. Rep. 344 (2001) 126
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共存する氷は役に立つ物質

銅酸化物

Mn 酸化物

Mg/Nb 酸化物

不均一構造

超伝導体と絶縁体

強磁性金属と絶縁体

強誘電体と常誘電体

巨大応答

高温超伝導

巨大磁気抵抗

巨大誘電率

機能の応用

リニアなど

HDD ヘッド

コンデンサ

物質Co 酸化物

有機導体

不均一構造

スピン密度波と電 異なる波数の荷秩序
電荷秩序

巨大応答

巨大熱起電力巨大非線形伝導機能の応用

熱電発電素子有機エレクトロニクス？

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寺崎：
応用物理学会誌
74(2005)327

まとめ
物質科学の魅力
多くなると何かが変わる→ミクロとマクロの架け橋●

電流で融ける電子の氷で、流れる水が凍らない理由がわかる（かもしれない）●

電子の氷を融かすと、試料の抵抗を１０００倍変えられる→ インバータになる有機物●

面白くて役に立つ物質の物理学を目指して●

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