電子が凍るモット絶縁体を「溶かす」方法を新発見

京都大学は、ルテニウム酸化物のモット絶縁体に元素置換や高圧より簡便な方法として電流を流すことで、磁場をはねのける巨大反磁性が現れることを発見した。

米澤進吾 理学研究科助教、前野悦輝 同教授、チャンチャル・ソウ 日本学術振興会外国人特別研究員、北村想太 ドイツ・マックスプランク研究所博士研究員、岡隆史 同グループリーダー、黒木和彦 大阪大学教授、中村文彦 久留米工業大学教授らの研究グループが成功。研究成果は、米国の科学誌「Science」に掲載された。

互いに身動きが取れず凍った電子を、その絶縁体の一部の元素の入れ替えや高圧環境に置くことで「溶かす」と、電子同士の結びつきの強い「強相関金属」となり、高温超伝導や超巨大磁気抵抗といった新しい性質が生まれる。

研究グループは、典型的なモット絶縁体であるルテニウム酸化物「Ca2RuO4」の単結晶に電流を流し、電気抵抗と磁性を測定した。その結果、電流の増加に伴いモット絶縁体の凍った電子がまさに溶け始める状態を作れるだけでなく、非常に大きな反磁性という性質が現れることが分かった。反磁性とは、外からかけた磁場をはねのける性質のことで、超伝導体やグラファイト、ビスマスなどで大きな反磁性が知られているという。

研究グループによると、今回の最も大きな発見は、電流を流すだけでモット絶縁体の電気的・磁気的性質を大きく変化させることができた点だという。また、超伝導体以外ではこれまでで最大の反磁性を創り出すことにも成功したと説明する。

今回発見したルテニウム酸化物以外のモット絶縁体からも、さらなる面白い性質を引き出せる可能性がある。また、電流が流れた「非平衡状態」という通常の熱平衡とは異なる状態を利用することで生まれた新現象は、新たな学術分野の開拓にもつながると期待できるという。