研究内容

よく知られているように、物質は多数の原子から出来ています。その原子はさらに、原子核と電子とから構成されていますが、実はほとんどの場合、物質中で主役を演じているのは電子の方です。たとえば、物質の化学反応や化学結合では、価電子が大きな役割を果たすことが知られていますし、物質が電気を流す、光る、磁石になるといった我々の生活に欠かせない様々な機能的な性質（機能物性）も、実は電子が引き起こしているものです。私たちは、この電子に着目することで、新しい機能物性を示す物質を開拓することに取り組んでいます。

具体的には、物質中の電子を介して電気伝導性、光物性、磁性などの複数の機能物性を結合させ、光・電荷・スピンの協奏的な新奇物性を発現させることに関心を持っています。実際の研究では、このような物性を発現させる場として固体物質を選択し、物質合成から物性評価までの一連の実験を自分たちで行うという、自給自足型のスタイルで研究に取り組んでいます。また、研究の鍵となる電子が量子論的な粒子であることから、化学だけでなく、物理など他分野の知識や技術も、使えるものは総動員してアプローチするというスタンスで物質に向き合っています。

これまでに取り組んできた研究例としては、以下に示すように、有機・無機ハイブリッド半導体における電圧印加なしでの光電流の発生、リチウムイオン電池システムによる分子性化合物の磁石状態のON-OFF制御、マルチフェロイクスと呼ばれる酸化物における磁性と誘電性の相関現象の開拓などが挙げられます。また、最近では光・電荷・スピンを結びつける要素として、物質の右手・左手の性質（キラリティ）に興味を持っており、有機・無機ハイブリッド化合物を中心に物質開発を行いながら、キラル電子物性の開拓を進めています。将来的にはこのようなキラル電子物性の研究をもとに、自然科学最大の謎の一つとも言われているホモキラリティの謎（生命体が片方のキラリティの分子のみで構成されていること）の起源にも迫っていければと考えています。

キラルな有機・無機ハイブリッド化合物の開発＆キラル電子物性の開拓

キラルな結晶構造を持ち重元素から構成される物質は、非磁性であっても、電子スピンによる磁気的性質を発現する不思議な可能性を持っており、以前より関心を集めていました。しかし、重元素から成る物質の大半が属する無機物では、自由にキラリティを選択して物質を合成することは非常に難しく、新しい物質の開発が期待されていました。我々のグループでは、二次元有機・無機ハイブリッドペロブスカイト鉛ヨウ化物において、キラリティの制御が可能な、重元素から成る新しい半導体の材料設計に成功しました。この物質では、電圧を印加しなくとも光照射のみで自発的に光電流が発生し、さらに光電流の向きが結晶構造のキラリティを反映して反転するという、興味深い現象を発見しました。この観測された光電流に関しては、電子に働くスピン・軌道相互作用により、スピンの向きが揃っていることが予想されており、今後、光照射で磁化反転を制御出来るメモリデバイスのような、光を利用したスピントロニクスへの応用も期待されます。

イオン輸送を介した電気・磁気相関現象（マグネトイオニクス）の開拓

電気的な磁性制御は、我々の身の回りで日常的に利用されているエレクトロニクス技術との親和性から、広く関心が持たれてきた主題の一つです。本研究では、代表的な蓄電デバイスとして知られるリチウムイオン電池（LIB）のシステムを、バルク物質に対する高密度の電子ドーピング制御法として利用するという独自の着眼点で、新しい電気的な磁性制御の実現を目指しました。特に、有機金属構造体（MOF）と呼ばれる多孔性の分子性化合物において、酸化・還元に伴うラジカルスピンの生成・消滅を制御することで、LIBの充放電操作と連動させて可逆的に磁石状態をON－OFF制御することに成功しました。注目すべきなのは、この手法で誘起された磁性状態は電気化学平衡にある為、一度その状態にしてしまえば電力供給がなくとも状態が維持されるという特徴を持っているという点です。このような酸化・還元反応を伴うイオン輸送を介した磁性制御は最近、 “Magneto-ionic control”とも呼ばれ注目されており、今後、新たなスピン-イオン協奏現象デバイス（マグネトイオニクスデバイス）の創出につながることが期待されています。

新規マルチフェロイクスの探索＆巨大電気磁気効果の開拓

一般に、電気と磁気の相関というと、古典電磁気学におけるアンペール・マクスウェルの法則やファラデーの法則が良く知られています。しかし、不連続な原子配列から構成される物質中では、真空中と異なり、電束密度や磁束密度の時間変化を必要としない固体特有の特異な電気磁気相関現象が生じる場合があります。このような電気磁気相関現象のうち、磁性と誘電性の結合に関するものは、電気磁気効果と呼ばれ存在が知られていましたが、極めて弱い応答しか観測できないものであった為、2000年代初頭までほとんど注目されていませんでした。これに対し我々は、一つの物質内で強誘電秩序とスピン秩序が共存する「マルチフェロイクス」と呼ばれる新しい概念に着目し、電気磁気効果を巨大応答として誘起することに取り組みました。強誘電秩序状態が系の電荷分布に関して空間反転対称性が破れた（反転心を持たない）状態である点に着目し、同様に空間反転対称性の破れた「らせん磁気構造」を持つ系を中心に物質探索を進めたところ、らせん磁気秩序相において同時に強誘電性を発現する新規マルチフェロイクス酸化物（MnWO₄, Ba₂Mg₂Fe₁₂O₂₂）を発見しました。発見されたマルチフェロイクスでは、強誘電秩序とスピン秩序間の強い結合を介して、磁場印加による電気分極フロップ（90º回転）、電気分極反転（180º回転）、強誘電性シングルドメイン状態制御、電気磁気メモリ効果といった、様々な新奇な巨大電気磁気効果を誘起することに成功しています。