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―

2025年12月 9日 11:00

研究者情報

〇大学院理学研究科物理学専攻　特任研究員　高橋まさえ
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Press release in English

発表のポイント

結晶の中で電子と格子の振動（フォノン^（注1））がエネルギーをやり取りする電子格子相互作用の強さが離散的で量子化されているという現象について、多くの材料でも観測されることを見出しました。
電子格子相互作用の強さは、材料や電子のエネルギーに関係なく、物理学で有名な微細構造定数（約1/137）^（注2）に比例します。
電子格子相互作用の強さが微細構造定数に比例する原因を、フォノンが放出する光と電子の衝突で説明しました。

発表概要

私たちの身の回りにある結晶の中では、電子と格子の振動（フォノン）が絶えずやり取りをしています。このやり取りを電子格子相互作用と呼びます。これまで、電子相互作用の強さである線形温度係数の正確な値や物理的解釈については議論されてきませんでした。
東北大学大学院理学研究科物理学専攻の高橋まさえ特任研究員は、テラヘルツ^（注3）分光を用いて、電子相互作用の強さを水素結合ネットワーク結晶（有機結晶）について正確に測定することに成功しました。測定の結果、その強さは微細構造定数αに比例していることが明らかになりました。微細構造定数α（約1/137）は、電磁気力の強さを示す基本定数で、量子ホール効果^（注4）、原子微細構造^（注5）など、さまざまな現象に登場します。これは、電磁気力を表す基本定数が、電子とフォノンの相互作用にも適用できることを示す発見です。
本成果は結晶の性質を解明するだけでなく、性能を左右する電子格子相互作用の強さが示す電子格子間のエネルギー授受が、微細構造定数とフォノンのエネルギーで定量的に決まるという結果を示すものです。本成果は次世代の電子材料や量子技術の開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。

用語解説

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賞。
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）。

論文情報

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：東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
DOI：10.1016/j.chphi.2025.100977

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東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）
Email：masae.takahashi.d1*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
広報・アウトリーチ支援室
TEL：022-795-6708
Email：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）