Focus of Yamamoto Lab.
分子固体の電子や分子が引き起こす諸現象の作動原理を実験的立場から解明することが研究の目的です。
Clarifying the functions of electrons and molecules in diverse phenomena within molecular solids, approached experimentally, constitutes the objective of our research.
Lab.
Solid State Chemistry
固体物理化学研究室は 山本と内藤先生のグループがございます。
このページでは山本の研究・教育活動に関する紹介をいたします。
リサーチユニットに関するリンクはこちらです。
Solid State Chemistry Laboratory (= SSC Lab.) consists of Naito and Yamamoto Groups.
The Research Unit page is here.
Lab.
Research areas
山本研究室の特徴
Features of Yamamoto Laboratory
結晶や非晶質からなる固体では、液体にように流動することがないまま、電気伝導性、磁性、光学特性、熱特性を示すという、我々の生活に欠かせない特性を示します。また、際立った特性や、複数の特性を示すような、固体物質も合成されています。高温超電導や導電性高分子から端を発した一連の研究などがその好例です。
ところが、電荷（電子）2個がペアを組むと考えられている超伝導や、電荷（電子）3個では特定のペアを組めないと考えられている三体問題など、固体物質の諸学者向け教科書にも紹介されている問題でさえ、未だ解明されたとは言い切れません。このような問題に答えるために、理論物理、物性物理、合成化学の研究者たちは様々な研究を行っております。
我々は、理論物理、物性物理、合成化学の研究者たちがあまり注目してこなかった、分子分光学と分子結晶学のアプローチを組み合わせることで、電子や分子や構成元素が物質の機能性にどのような寄与をするのか、解明する研究をしています。
We are working to elucidate how electrons, molecules, and their constituent elements contribute to the functionality of materials.
Researches
01
電子状態と分子配置を反映した分子振動モードを見つける。
近赤外光からバンド構造を推定する。
Study of molecular vibrational modes reflecting electronic states
and molecular configurations in functional solids:
教科書に紹介されている分子振動や電子スペクトルでは、孤立分子と見做せる気体や、溶媒に囲まれた分子を中心に扱っています。一方、分子からなる結晶では、隣接分子間での電荷の移動、隣接分子間での電荷の反発、隣接分子間同士の置換基の干渉など、あまり詳しく扱われていなかった影響を考慮する必要があります。しかし、電荷の移動や反発、置換基の干渉が、スペクトルに与える影響を理解できれば、固体の重要な機能（伝導性・磁性・光学特性・熱特性・機械特性など）に寄与する原理を導き出すことが可能になります。
バンド構造の解析は、固体物性を議論するのに有用です。一般的に、バンド構造を分光学的に解析するために、エネルギーが赤外以下または紫外以上の光を用いています。我々は、近赤外光を利用することで、物性に大きく寄与するHOMOとLUMO由来のバンドが、条件により交差するといった複雑な挙動を観測できるようにしました。この手法は、単一成分金属やディラック電子系の研究にも有用であると考えています。
02
分子性の超伝導体に働く
相互作用の研究
Study of charge-to-charge interactions
in molecular superconductors
固体物性の教科書では、超伝導体では電荷（電子）2個がペアを組む、と紹介されています。分子性の超伝導体の分野においては、これまでは、銅酸化物超伝導体との類似性という観点から電荷のペアの形成過程の研究が行われてきました。そのほかの条件によるペアの形成に関しては疎かにされてきました。これは、「二つの分子に一つの電荷が共有するという条件」に近い物質のみ注目されてきたことによる弊害かもしれません。
ところで、分子性の超伝導体の圧倒的多数は、「二つの分子のどちらか一方に一つの電荷が存在できるという条件」に合致します。従って、このような超伝導体こそ、超伝導のメカニズムを研究すべき本来の対象といえるでしょう。「二つの分子のどちらか一方に一つの電荷が存在できる」というのは、専門用語では電荷整列や電荷揺らぎといいます。分子分光学的アプローチにより、電荷―電荷反発力、および、分子間の弱い結合力を計測し、反発力と結合力からなるパラメーターを横軸に、温度を縦軸とした相図を描くことに成功しました。異なる物質間でも、この相図が共通して成立することを見出しました。しかも、この相図は、温度―圧力相図とも互換性があることが判明しました。
この研究により、分子結晶が絶縁体・超伝導・金属になるための分子間距離が求まるので、伝導性の分子性物質を合成する指針を示すことができます。現在は、電荷整列の生成にとって理想的ではない条件も含めた研究を行っております。
03
分子性結晶の電子間反発力や
結合力を物理的に制御する
Controlling the electron-electron repulsion
and bonding forces in molecular crystals
02の研究により、電子間反発力の働く方向と結合力の働く方向が、互いに垂直にある分子結晶が数多くあることが判明しました。このような結晶用いると、反発力と結合力を独立に増加や減少できることを思いつきました。結晶を構成する分子やイオンのサイズ変更する手法（化学的圧力印加）は、反発力と結合力を独立に制御できるとは限りません。また、結晶を曲げる、あるいは、等方的に圧縮しても、それぞれ、均一に制御できない、独立に制御できない、という問題があります。そこで、特定の方向のみ延伸・圧縮をする物理的手法を採用しています。その結果、圧力で金属を超伝導にするという、これまでの固体の圧力研究の分野では実現が難しかった現象を観測しました。
Read more →
