【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　組頭広志
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 酸化物における量子化準位^（注１）の形成条件を特定することに成功しました。
• 高輝度放射光^（注２）を用いた角度分解光電子分光^（注３）により量子化状態を可視化することで、その形成条件を検証しました。
• 新しい量子化状態を用いた量子物質の開発につながると期待されます。

【概要】

エネルギーが連続的なアナログ値から離散的なデジタル値になる量子化は、現代のナノテクノロジーの基本となる現象です。近年、強い電子相関^（注４）をもつ酸化物においても量子化現象が観測され、この現象を利用した新しい量子物質や量子デバイス創成が期待されています。しかしながら、酸化物中の強相関電子^（注４）と呼ばれる強く相互作用した電子が量子化するための条件がわかっていませんでした。酸化物の類い希な機能を用いたモットトランジスタ^（注５）などの設計において、このことが大きな障害となっていました。

東北大学多元物質科学研究所の神田龍彦大学院生、志賀大亮助教、吉松公平准教授、組頭広志教授らの研究グループは、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の北村未歩助教（現在は量子科学技術研究開発機構）と共同で、高輝度放射光を用いた角度分解光電子分光という手法を用いて、酸化物における量子化条件を決定することに成功しました。

今後、この知見に基づいてナノ構造を設計することで、新たな機能を持つ量子物質の実現が期待されます。

本研究成果は、科学雑誌Communications Materialsのオンライン版に2023年4月25日付けで公開されました。

【用語解説】

注1. 量子化準位?量子化?量子井戸
井戸のような形状をしたポテンシャル障壁により、極めて薄い伝導層（2次元空間）の内部に電子を閉じ込める構造を量子井戸と呼びます。量子井戸内で電子は、層に垂直な方向への運動が制限されて、量子化準位とよばれるとびとびのエネルギー値を持つようになります。また、この現象を量子化と呼びます。半導体デバイスではこの特長を活かすことで、電子を効率よく利用することができ、高性能のレーザーやトランジスタが実現されています。

注2. 放射光
光速近くまで加速された電子の軌道を磁場によって曲げると、接線方向に光が放出されます。この光は放射光と呼ばれ、高い輝度や偏光性などの優れた特性をもつ光源として、科学技術の広い分野で大いに活用されています。近年、高輝度放射光施設が世界各地で建設されており、先端材料や次世代デバイスなどの研究に活かされています。

注3. 角度分解光電子分光
物質に光を当てると、光電効果によって光電子が飛び出します。角度分解光電子分光は、この光電子のエネルギーの放出角度依存性を測定することにより物質中の電子の状態を調べる方法です。

注4. 強い電子相関?強相関電子
電子は負の電荷をもつため互いにクーロン斥力を感じながら物質中を運動します。その力が強い場合は、多数の電子が集団的に振る舞い、モット転移や超伝導など様々な興味深い量子現象が発現します。このような場合、一般に強い電子相関があるといい、物質中において強い電子相関をもつ電子を強相関電子と呼びます。

注5. モットトランジスタ
半導体デバイスとして広く用いられている電界効果型トランジスタでは、不純物を添加した半導体に電圧をかけて電子や正孔を蓄積することによって電気抵抗（電流のOn/Off）を切り替えています。一方、電流のOn/Offに強相関電子のモット転移（金属?絶縁体転移）を利用するトランジスタをモットトランジスタと呼びます。モット転移を利用するため、従来のトランジスタに比べて動作速度が速く消費電力が低い等の優れた素子性能を持つことが期待されています。

詳細（プレスリリース本文）※5月11日に訂正版へ差替え
※7頁目のDOIを以下のとおり訂正いたしました。（2023年5月11日）
＜訂正前＞
DOI：10.1038/s41467-021-27327-z
＜訂正後＞
DOI：10.1038/s43246-023-00354-7

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所　
教授　組頭　広志（くみがしら　ひろし）
電話：022-217-5802
E-mail：kumigashira*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

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東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
電話：022-217-5198
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