同じ分子が並ぶ薄い層でも、中央と端では電子の状態が変わることがあります。結晶の端で規則的なつながりが途切れるためです。その違いを、分子を組み立てた格子で直接捉えた研究が報告されました。
物質・材料研究機構（NIMS）、キール大学、佐賀大学、豊田工業高等専門学校などの共同研究チームは、鉛の表面に有機分子を並べて「二原子カゴメ格子」を作り、ジグザグ型の端に局在する電子状態を観測しました。論文は2026年9月2日にオンライン公開され、NIMSは9月14日に成果を発表しています。原子の種類だけでなく、分子の形と並べ方から量子材料を設計する研究です。
簡単にまとめると？
- 三方向に腕を伸ばした有機分子Trip-Phzを鉛の表面に自己集合させ、二原子カゴメ格子を作りました。
- 4.6 Kの低温で、格子のジグザグ型の端から数列に強く現れる電子状態を走査トンネル顕微鏡で捉えました。
- 測定と理論計算を対応させ、格子全体の性質と端状態の関係を調べました。室温で動く電子部品や、損失のない配線を実証した段階ではありません。
分子の形を使って、電子のつながり方を作る
カゴメ格子は、三角形と六角形が組み合わさる、籠の編み目に似た配置です。今回扱う二原子カゴメ格子は、その仲間に当たります。グラフェンで知られるハチの巣状の格子とも関係し、電子が移れる場所と、その間の結び付きが独特の模様を作ります。
材料を変える方法としては、含まれる元素を選ぶだけでなく、電子がどのような道筋で隣へ移れるかを変える方法もあります。道筋が変われば、電子の波が重なり合う仕方も変わり、取り得るエネルギーや広がり方が変わります。格子の幾何学模様が、電子の性質を設計する手掛かりになるわけです。
研究チームが用いたTrip-Phzは、立体的な骨格から三方向に電子の広がる部分を伸ばした有機分子です。鉛のPb(111)と呼ばれる結晶面に分子を置くと、分子同士が規則的に集まりました。できた構造には、分子内の部分同士のつながりと、隣の分子へのつながりがあります。それらを組み合わせて二原子カゴメ格子を実現しています。「二原子」は分子全体が二つの原子だけでできている、という意味ではありません。
端の数列に現れた信号を、中央と比べる
観測に使った走査トンネル顕微鏡（STM）は、鋭い探針を試料へ近づけ、両者の間を流れるトンネル電流から表面を調べます。電圧を少し変えたときに電流がどれだけ変わるかを測ると、その場所・エネルギーで電子が取り得る状態を調べる手掛かりになります。この測定量が、論文中のdI/dVです。
今回の測定は4.6 K、約−269℃で行われました。分子を並べる際の鉛基板は室温でしたが、電子状態を測った温度とは分けて考える必要があります。
研究チームは、分子の島の端と、十分に内側へ入った場所を比較しました。試料電圧1.42 VのdI/dV像では、ジグザグ型の端から最初の三列付近に強い信号が現れます。端に沿って電子状態が局在していることを、場所ごとの違いとして捉えた結果です。
ここで見ているのは、端にどのような電子状態があるかという情報です。端に沿って電流を流し、その抵抗や伝送損失を測った結果ではありません。また、明るい列が見えたというだけで、すべてを格子固有の効果と決めることもできません。構造の観測、位置ごとのスペクトル、理論計算を重ねて解釈することが重要です。
格子の内側から、端の状態を説明する
研究では、電子が分子内や隣の分子へ移る様子を表す「強束縛モデル」を使って計算しました。分子上のどの部分を電子の居場所として扱い、それらをどれくらい強く結び付けるかを定め、格子全体と端の電子状態を比べるモデルです。
計算では、グラフェンと対応するジグザグ端状態が現れ、実験で見えた端付近の信号を説明できました。さらに、電子の波が格子の中で持つ位相の性質を表す「Zak位相」を調べ、端状態が現れる範囲との関係を示しています。これは、内側の電子状態の性質と、端で起こる現象を結び付ける「バルク・エッジ対応」の例です。
この意味で、研究チームは観測した状態をトポロジカルな端状態と位置付けています。ただし、トポロジカルという言葉は、どんな欠陥や外乱にも影響されないという保証ではありません。論文でも、分子配列の乱れによって信号の強さに違いがあることや、理論上のほかの端状態を実験で一つずつ特定する難しさが論じられています。
| 確認したこと | その先に必要な検証 |
|---|---|
| 鉛表面で分子が規則的な格子を形成 | 別の基板、より大きな領域、欠陥の制御でも同じ構造を作れるか |
| 4.6 Kで端に局在する電子状態を観測 | 温度を変えたときの安定性や、実際の電気伝導の振る舞い |
| 強束縛モデルとZak位相で端状態を説明 | 基板との相互作用や、モデルに含めない効果の影響をさらに調べること |
完成した素子より、設計を試せる材料の足場
今回の価値は、理論で考えられていた格子を分子から組み立て、その端を顕微鏡で調べられるようにした点にあります。分子の構造や結び付きを変えたときに、電子の性質がどう変わるかを実験と計算で比べる足場になります。
実用材料として見るには、低温・鉛基板上という条件や、島の大きさ、配列の乱れを踏まえる必要があります。それでも、元素の組成だけでは選びにくい電子状態を、分子の形と並べ方から探る道筋が具体的になりました。今後の研究では、同じ格子を作れたかに加えて、端の状態をどのように動かし、利用できるかが焦点になります。
出典
- NIMS「超分子技術で量子マテリアルを構築」（2026年9月14日）。
- R. Nemoto et al., Direct Observation of the Zigzag Edge States of a Supramolecular Diatomic Kagome Lattice, Nano Letters 26, 12146–12152（2026年9月2日オンライン公開）。NIMSの公開論文・書誌情報。
- 同論文のSupporting Information、試料作製とSTM測定条件。