お知らせ
2005/06/30
研究成果
理論分子科学研究系・米満グループ
光をあてると“もの”の性質＝物性が大きく変わることがある。光をあてて暖めるのではなく電子を動かすことによってである。物質内では分子の周りで無数の電子が動いている。物性を変えるためには無数の電子を動かさねばならない。しかし光を吸収して最初に動く電子は少数である。そこで電子や分子の間に働く力をうまく利用する。協調的に動くように仕向けたら、少数の電子の運動をきっかけに無数の電子が動く。TTF-CAという物質は、パルス光照射後の色変化で電子状態の変化がよく調べられている。そこではTTF分子とCA分子が交互に積まれ、その方向に電子が動く。常温常圧で分子は中性で、低温か高圧下で電荷分布が正負に偏りイオン性となる。電子を動かすのに適した性質をもつパルス光をあて、これらの状態間をスイッチできる。しかし電子の動き方は変化の向きによって大きく異なる。なぜなのか調べるために理論計算を行った。それまで考慮されなかった電子の動きに注目し、パルス光の特性をとりいれた。イオン性のときは電子がお互いに気兼ねしあい、1つだけを動かすことができない1)。十分に強い光で１つの電子をひとたび動かすと、ほかの多くの電子をまきこみ、最後には無数の電子が動いて中性になる。中性のときは電子が勝手気ままに振舞い、１つだけを動かすことは簡単にできるが、ほかの電子は知らん振りをしている2)。そのために光吸収に比例した数だけの電子が動く。電子の動き方の違いは電子同士の関わり方の違いのために起こっていた。
図1：イオン性状態に光をあてると協調的に電子が動き、 中性状態に光をあてるとばらばらに電子が動く。
この研究を行った動機は何ですか？
光をあてることをきっかけに物性を大きく変えられることがあります。どう変わるか、どう変えられるかを知るためには電子の動きを調べる必要があります。電子の数が少ないときと多いときではその振る舞いが大きく違います。そこで、少ない電子の動きが多くの電子の動きにどう発展するのかを明らかにしようとしました。
この研究の重要さや新しいところを専門外の人に説明してくださいますか？
“もの”の色や、電気を通すか、磁石になるかなどの物性は多数の電子の振る舞いで決まります。量子力学の法則に従って動く多数の電子の状態を明らかにすることが理解の第一歩です。この電子状態を動的に意図的に変化させるところが新しいところです。そのしくみがわかれば、物性を制御するためにどんな光をあてればよいのか、ヒントが得られます。
今後この研究はどのように発展すると考えられますか？
電子や分子を動かすと行ったり戻ったりして振動が発生することがあります。これを振り子でたとえると位相のそろい方が重要です。効率的な変化を起こす１つの方法は振動の位相をそろえることです。そうすればパルスを分けて間隔を調節すると、振動が強めあったり弱めあったりします3)。ほかに、分子の動きも量子力学に従うような低温では全く新しい運動が考えられます。
用語解説
イオン性と中性：分子同士が近づいてクーロン力の影響が大きくなると正負に電荷分布が偏って引力で得するイオン性状態が実現され、そうでないときはTTF分子のイオン化エネルギーとCA分子の電子親和力の差のために中性状態になる。
気兼ねしあう電子と勝手気まま電子：規則的な結晶構造をもつときの絶縁体には２種類ある。モット絶縁体では多くの電子の運動が絡み合っているが、バンド絶縁体では電子の運動はほぼ独立である。
振動の位相：多数の分子が位相をそろえて振動すると、全体の運動があたかもひとつの振り子のようになる。このときの分子の運動をコヒーレントと呼ぶ。
論文名
1) “Phase Transition in a One-Dimensional Extended Peierls-Hubbard Model with a Pulse of Oscillating Electric Field: I. Threshold Behavior in Ionic-to-Neutral Transition,” K. Yonemitsu, J. Phys. Soc. Jpn.73, 2868 (2004).
2) “Phase Transition in a One-Dimensional Extended Peierls-Hubbard Model with a Pulse of Oscillating Electric Field: II. Linear Behavior in Neutral-to-Ionic Transition,” K. Yonemitsu, J. Phys. Soc. Jpn.73, 2879 (2004).
3) “Phase Transition in a One-Dimensional Extended Peierls-Hubbard Model with a Pulse of Oscillating Electric Field: III. Interference Caused by a Double Pulse,” K. Yonemitsu, J. Phys. Soc. Jpn.73, 2887 (2004).
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