2025年 | プレスリリース?研究成果
電子と結晶の「ささやき」を聞く ―テラヘルツ光で解き明かす新しいミクロの世界―
【本学研究者情报】
〇大学院理学研究科物理学専攻 特任研究员 高桥まさえ
【発表のポイント】
- 结晶の中で电子と格子の振动（フォノン（注1））がエネルギーをやり取りする电子格子相互作用の强さが离散的で量子化されているという现象について、多くの材料でも観测されることを见出しました。
- 电子格子相互作用の强さは、材料や电子のエネルギーに関係なく、物理学で有名な微细构造定数（约1/137）（注2）に比例します。
- 电子格子相互作用の强さが微细构造定数に比例する原因を、フォノンが放出する光と电子の衝突で説明しました。
【概要】
私たちの身の回りにある结晶の中では、电子と格子の振动（フォノン）が絶えずやり取りをしています。このやり取りを电子格子相互作用と呼びます。これまで、电子相互作用の强さである线形温度係数の正确な値や物理的解釈については议论されてきませんでした。
东北大学大学院理学研究科物理学専攻の高桥まさえ特任研究员は、テラヘルツ（注3）分光を用いて、电子相互作用の强さを水素结合ネットワーク结晶（有机结晶）について正确に测定することに成功しました。测定の结果、その强さは微细构造定数αに比例していることが明らかになりました。微细构造定数α（约1/137）は、电磁気力の强さを示す基本定数で、量子ホール効果（注4）、原子微细构造（注5）など、さまざまな现象に登场します。これは、电磁気力を表す基本定数が、电子とフォノンの相互作用にも适用できることを示す発见です。
本成果は结晶の性质を解明するだけでなく、性能を左右する电子格子相互作用の强さが示す电子格子间のエネルギー授受が、微细构造定数とフォノンのエネルギーで定量的に决まるという结果を示すものです。本成果は次世代の电子材料や量子技术の开発にもつながる可能性があります。
本研究の成果は、2025年11月19日に科学誌Chemical Physics Impactに掲載されました。
図1. 様々な材料と遷移に対してプロットされた電子格子相互作用強度。
【用语解説】
注1. フォノン：結晶中の振動を量子化した準粒子。
注2. 微細構造定数（約1/137）：低エネルギー極限での電磁相互作用の強さを表す無次元の基礎物理定数。
注3. テラヘルツ：1×1012ヘルツ。
注4. 量子ホール効果：低温、強磁場下の二次元電子系という極限条件で、ホール抵抗が量子化される現象。量子ホール効果の発見者Klaus von Klitzingは1985年にノーベル物理学賞受赏。
注5. 原子微細構造：原子のスペクトル線にあらわれる、スピン軌道相互作用によって説明される微細な分裂（原子物理学）。
【论文情报】
タイトル：Electron-phonon coupling strength in hydrogen-bonded network crystals in the THz frequency range
著者：Masae Takahashi
*責任著者：东北大学大学院理学研究科 特任研究員 髙橋まさえ
掲載誌：Chem. Phys. Impact
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问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
特任研究員 高橋 まさえ（たかはし まさえ）
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（报道に関すること）
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
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