有機導体の研究をふりかえって物質理学(物理系)物性理論研究室

鈴村順三

低次元導体の物理目次
1.大学院時代(1970‐1974)
2.Tomonaga‐Luttinger模型
3.擬1次元有機導体
4.擬2次元有機導体
おわりに

謝辞
先生
長岡洋介(1969)
中嶋貞雄(1970 1974)
中嶋貞雄(1970‐1974)
福山秀敏(1975‐)
外国
A.D.S. Nagi, Warerloo, Canada,
D Jerome,
D.
J
Univ.
U i P
Parisi Sud,
S d
H.J. Schulz, Univ. Paris Sud,
T Giamarchi,T.
Giamarchi Univ.
Univ Paris Sud,Sud
C. Bourbonnais, Univ. Sherbrooke,
G. Gruner, UCLA,
E. Orignac, Ecole normale Superiuer,
V. Robert, Ecole normale Superier,
G Montambaux,G.
Mb
U i P
Univ.
Parisi Sud,S d
F. Piechon, Univ. Paris Sud,

共同研究者、学生
土射津昌久、小林晃人
小川卓広、種村紀子、板倉利文、冨尾祐、杉浦宗男、片山新也 野々山嘉人 大森有希子 西根達郎
片山新也、野々山嘉人、大森有希子、西根達郎

修士課程 12名
Ｓ研のメンバー鹿児島誠一(東大名誉教授)
岡部豊（首都大） 長谷川泰正（兵庫県立大） 佐宗哲郎（埼玉大）
岡部豊（首都大）、長谷川泰正（兵庫県立大）、佐宗哲郎（埼玉大）

1.大学院時代(1970‐1974)
大学院時代( 9 0 9 )有機導体との出会い

TTF‐TCNQ塩におけるPeierls 転移温度直上での電気伝導度の急な増加
Heeger et.
et alal. ( 1973)

TTF‐TCNQの鎖に垂直な面

tetrathiafulvalene

tetracyanoquinodimethane1975年

指導教授
副論文

中嶋貞雄 （東大物性研究所）

1次元電子ー格子系におけるPeierls状態（電荷密度波）
Ｆｒｏｈｒｉｃｈ模型: RRPAによる1電子状態密度 (1974)

Density of states
1.5

揺らぎによるフェルミ面付近の擬ギャップ

1normal state

0.5

002energy

4ω/Δ

有機導体
○フェルミ付近の電子状態○電荷密度波 電子密度の空間変化○電荷密度波、電子密度の空間変化○ 低次元揺らぎ、 電子間相互作用

2 Tomonaga-Luttinger模型
2.Tomonaga
Luttinger模型

Tomonaga‐Luttinger 模型

JJ. Math.
Math Phys.
Phys 4,4 1154 (1963)
An Exactly Soluble Model of a Many‐Fermion System
J. M. Luttinger

１電子グリーン関数
Luther and Peschel (1974)
ボソン化法
Luther and Emery (1974)
Feynman diagram:diagram Dyaloshinskii,Dyaloshinskii Larkin (1974)

位相の役割Lee, Rice, Anderson, (1974 )： CDWの位相の集団励起モード
Fukuyama, (1976) : CDWの位相ハミルトニアン

位相ハミルトニアン

YS , Prog.
g Theor. Phys.
y 61 (1979)

電荷、スピン2種類の位相（ボソン）場

T‐L模型での１電子状態密度

YS, JPSJ 56 (1987)

V. Yakovenko
S.A.Brazovskii

YS,不純物による電荷密度波のピン止め
ピン止めの長さ=
ピ
止め 長さ アンダーソン局在の長さ
ダ
局在 長さ
YS and Fukuyama, JPSJ 52（1983), 53(1984)

古典的YS and Saso,,
JPSJ 55 (1986)
量子的YS and IsobeJPSJ 73 (2004)

拡張ハバー模型におけるアンダーソン局在の領域

NATO Adv. Inst.(1986)

超伝導状態

YS JPSJ 54 (1985)
YS,JeromeCaron
Bourbonnais
Schulz
GrunerEmeryMontambaux
Bardeen1電子スペクトル関数

スピンと電荷の分離
温度効果

Nakamura and YS ,Prog. Theor. Phys. 98 (1997)

3.擬1次元有機導体
擬 次元有機導体

擬1次元導体(TMTSF)2X
電気抵抗の温度変化
Wzietek et al. (1993).

ア オン(X)の種類によりアニオン(X)の種類により低温で現れる様々な相転移金属から絶縁体へ
金属から超伝導へ

Tetramethyltetraselenafulvalene有効圧力－温度 相図
Jerome Science 252 (1991)
Jerome,分子を、(TMTTF)
分子を(TMTTF)2PF6, (TMTTF)2Br,B(TMTSF)2PF6 (TMTSF)2ClO4の順に変えると有効圧力が大きくなり 低温での状態が有効圧力が大きくなり、低温での状態がスピンパイエルス(SP), スピン密波(SDW),超伝導(SC)と変化する

Science 281 (1998) 1181

光学伝導度の実部
圧力が小さい場合はギャップを持つ絶縁体
圧力が大きい場合は金属的
この実験は電荷ギャップと鎖間の飛び移りエネルギーの大小が原因であることを示唆電荷ギャプが大きくなると鎖間の運動エネルギーが効かなくなり電子が鎖内に閉じ められるが効かなくなり電子が鎖内に閉じこめられる繰り込み群による理論的研究
YS,, Tsuchiizu,, Gruner,, PRB 57 ((1998))
Tsuchiizu YS,
Tsuchiizu,
YS PRB 59 (1999)
Confinement‐deconfinement transition in two coupled chains with umklapp scattering
先駆的研究

Tsuchiizu, Yoshioka, Suzumura,

Prog. Theor. Phys. 98 ( 1997)

有機導体におけるスピンパイエルス(SP)状態
Sugiura ,YS, JPSJ 72 (2003)
有機導体における電荷秩序(CO)Seo, Fukuyama ,JPSJ 66 ( 1997)モット絶縁体と電荷秩序絶縁体
Tsuchiizu, Yoshioka, YS,
JPSJ 70 (2001)

スピンパイエル(SP)状態に対する電荷秩序(CO)の影響
Sugiura, Tsuchiizu, YS, 73 (2005)

低圧側でSPとCOが共存

高圧側

低圧側

実験と定性的に一致
Zamborszky et. al. PRB 66 (2002)

スピン揺らぎと電荷揺らぎによる超伝導

多鎖繰り込み群
長距離クーロン力
Fuseya, YS, JPSJ 74 (2005)
Fuseya ,Tsuchizu YS ,Bourbonnais JPSJ 74 (2005)
55g1 = 0.8, g2 = 0.8
U = 7.1ta,
V1 = 0.0 ta, V2 = 0.0 ta
E0 = 5500 K, ta ~ 2500K

43SDW

T (K)

T (K)

32SDW(CDW)

2dSS

10g1 = 0.01, g2 = 0.5
U = 1.2 ta,
V1 = 0.65 ta, V2 = 0.54 ta
E0 = 5500 K, ta ~ 2500K

410200400tb (K)6000dSS(fTS)
0200

400tb (K)600

Joint work with chemist
V Rovert,V.
Rovert ENS Lyon (2007‐)(2007 )
theoretical quantum chemistry
PhD student M.L. Bonnet (学振特別研究員 2007)

先端拠点事業ー日仏間（榎敏明教授、東工大）
多重機能分 性物質 開拓 分 素
多重機能分子性物質の開拓と分子素子への発展
発
協力機関：名大 鈴村、土射津
ENS Lyon と理学研究科との学術交流協定締結 2007.10

(TTM‐TTP)I3塩での分子内電荷秩序
TTM‐TTP 分子 Mori et al. ((1994))
ラマン散乱実験

Yakushi et al. (2003)

X線回折
線 折Nogami et al.
al (2003)

TTM TTPの分子軌道の第 原理計算
TTM‐TTPの分子軌道の第一原理計算
Bonnet, Robert, Tsuchiizu, Omori, YS,
J. Chem. Phys.
y 132 ((2010))

多軌道分子TTM‐TTP塩の模型
Tsuchiizu et al. JPSJ 80 (2011)

TTM‐TTP 分子を右と左の部分に2分割して2梯子模型で記述
多軌道ハバード模型
Tsuchiizu, Omori, YS, Bonnet, Vincent, J. Chem. Phys. 136 (2012)

高温超伝導YS,, Hasegawa,g, FukuyamayJPSJ 57 ((1988))

d波 スピン1重項超伝導

フェルミ面付近のギャップ

4 擬2次元有機導体
4.擬2次元有機導体

擬2次元有機導体
α-(BEDT-TTF)2I3バンド計算

T. Mori Chem. Lett (1984)

p4c44(C)a c3Bis(etylene-dithio)tetrathiafulvalene

p3p2
p13(B)
bc22(A')c11(A)

p1p2
p3
p4

単位胞に4分子 (A A’ B C)

圧力下での α‐(BEDT‐TTF)2I3 の輸送係数の温度依存性

ホール係数の急激な変化
Narrow-gap semiconductor (NGS),
Kajita et al.
al JPSJ 61 (1992)
１軸圧下で圧力を増加すると絶縁体 超伝導 NGS と変化し、高圧でもNGSは安定である。
Tajima et al. JPSJ 71 (2003)

加圧下で温度を下げると、電気抵抗は一定であるのにキャリヤーが急激に減少する理由は謎であった。

エネルギー固有値(波数kが量子数)

行列式

重なり積分なり積分 t の圧力変化
力変

pa =2k barでの値
Kondo and Kagoshima
Rev. Sci. Inst.76 (2005)

電荷秩序中での超伝導の研究
Kobayashi, Katayama, Noguchi, YS JPSJ 73 ( 2004)

加圧下でNGS状態が出現

電荷秩序中で超伝導が出現
Kobayashi, Katayama, YS , JPSJ 74 (2005)
2244

1

1
33

DOS

30

CO: Seo, JPSJ 69 (2000)

20

hole doped full‐gap SC state
100–0.01

00.01

ωMassless Dirac fermion in α-(BEDT-TTF)2I3
Katayama,
yKobayashi
yand Suzumura,
J. Phys. Soc. Jpn. 75 (2006)

エネルギー

μTilted Weyl Hamiltonian
fastest

Kobayashi et at. (2007)(eVV)

slowestH=k ⋅ v ρσ ρ∑ρ=0,1, 2, 3k− k0k0

Katayama, Kobayashi and YS
2005.3 春の物理学会

Hall effect:Tajima et al. (2008)
Kobayashi et al. (2008)

NMR：Takahashi et al. ((2006))
Kanoda et al. （2007）
Shimizu et al.(2008)

α-(BEDT-TTF)2I3
日本物理学会論文賞(2009.3)

科学新聞：((2006.5.26))

ゼロギャップ半導体
BEDT-TTF+1/2層

I 3 -層ディラック・コーン
デラ クン
質量ゼロの電子の出現

Kobayashi, Katayama, YS ,Fukuyama JPSJ 76 (2007)

Pa dependence of Dirac pointYM

ΓX

holepockets
electronpockets
M’

Pa=0, 10(square),20(triangle), 30(triangle reversed) kbar

異常なホール効果
Kobayashi, YS, Fukuyama ,JPSJ 77 (2008)

Kobayashi, YS,
Kobayashi
YS Fukuyama , Goerbig
JPSJ 78 (2009)

局所状態密度(a) と局所磁化率 （ｂ）
Katayama, Kobayashi , YS Eur. Phys. J B 67 (2009)
1Dα(ε)

0.5

χα(T)

((a))

(b)

A A' B C
A+A'+B+C

4

C

A,A'C

2A, A'BB
0−0.0200.02

ε000.005

0.01

T0.015

ベリー位相：Berry (1984)
Bn = ∇ × Ank0

ベリー曲率波動関数 微分
波動関数の微分A n = i n ∂κ n− k0YS, Kobayashi, JPSJ 80 (2011)

Top bandΓ
ΓMKobayashi, Suzumura,Kobayashi
Suzumura Piechonand Montambaux, PRB 84 (2011)

まとめ
学んだこと
有機導体特有の電子状態
多くの人との関わり

NATO Adv. Study Inst. on Low D Cond. and Supercond.
Prof. J. Bardeen (1908‐1991)

Quebec, Canada, 1986

物理教室の皆様
長い間どうもありがとうございました。
が ござ
鈴村順三