光によって固体の電子相が高速に変化する現象、いわゆる「光誘起相転移」は、非平衡量子物理学という新しい学問分野の中心課題であり、近年盛んに研究されています。これまで報告されてきた光誘起相転移の多くは、光キャリアの生成をきっかけとして電荷秩序やスピン秩序が融解する現象、すなわち、秩序状態から無秩序状態への変化が引き起こされることによるものでした。一方、光励起によって逆に秩序状態を生成することは難しく、これまでほとんど実現されていませんでした。

東京大学大学院新領域創成科学研究科の山川大路博士（研究当時大学院生）、宮本辰也助教、貴田徳明准教授、岡本博教授（兼産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ有機デバイス分光チーム ラボチーム長）、分子科学研究所協奏分子システム研究センターの須田理行助教（現京都大学大学院工学研究科准教授）、山本浩史教授、東京大学物性研究所の森初果教授、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の宮川和也助教、鹿野田一司教授らの研究グループは、モット絶縁体である有機分子性結晶κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Cl （ET=bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene）に高強度のテラヘルツパルスを照射することによって、一定時間安定に存在する、強誘電性の電荷秩序状態を生成することに成功しました。テラヘルツパルスの電場成分によってET分子の二量体内で電荷の偏りが生じ、その偏りが結晶全体で揃うことによって巨視的な分極が発生します。

一方、同様の結晶構造を持つκ-(ET)₂Cu₂(CN)₃では、同様な電荷秩序状態は安定化しませんでした。二つの物質における分子間反強磁性交換相互作用を比較した結果、κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Clに特有の反強磁性交換相互作用が電荷秩序状態を安定化するのに重要な役割を果たしていることが分かりました。これは、電荷秩序とスピン配列の間にマルチフェロイック相互作用と呼ぶべき強い相関があることを示唆しています。

(図1)結晶構造と電子構造。(a)基底状態のモット絶縁体。(b)テラヘルツパルスの電場成分（ETHz）によって生じた強誘電電荷秩序状態。赤丸の大きさは、分子価数の大きさを模式的に表したものである。テラヘルツパルスを照射すると、緑矢印のように二量体内で電荷が移動する。赤丸内の青矢印は電荷のスピンである。スピン同士を結んでいる黒線は強誘電電荷秩序状態を安定化させる反強磁性交換相互作用を表している。発表論文（© 2021 CC BY 4.0 License）から改変して掲載。

本研究で得られた知見は、モット絶縁体が持つ「隠れた強誘電性」の理解に繋がるものと期待されます。

本研究の成果は2021年2月11日付けで、英国科学誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。

新領域創成科学研究科発表のプレスリリース

発表雑誌：

• 雑誌名：「Nature Communications」（2021年2月11日付け）
• 論文タイトル： Terahertz-field-induced polar charge order in electronic-type dielectrics
• 著者：H. Yamakawa, T. Miyamoto, T. Morimoto, N. Takamura, S. Liang, H. Yoshimochi, T. Terashige, N. Kida, M. Suda, H. M. Yamamoto, H. Mori, K. Miyagawa, K. Kanoda, and H. Okamoto
• DOI番号：10.1038/s41467-021-20925-x