東大ら,トポロジカル材料の相転移制御するモデル

東京大学と名古屋大学は,らせん状や渦巻き状など鏡像と重ならない複数の構造を示す「トポロジカル材料」の相転移を制御するモデルを新たに提案した(ニュースリリース)。

ある物体がその鏡像と重ね合わせることができないキラルな物質には,光学異性体と呼ばれる鏡合わせの関係にある物質が存在する。

キラリティは材料科学においても盛んに研究されており,特に,磁性体や液晶などの物質においては,スピンや分子がキラリティを示す構造を形成する場合がある。このような構造を示す物質をトポロジカル物質と呼ぶ。

近年,トポロジカル相を制御する研究が進展しており,磁気メモリへの応用など,省エネルギーの観点からも注目されている。これらのトポロジカル物質の多くは結晶で弾性をもつため,トポロジカル相の力学的な制御も,電場や磁場と同様に注目されているが,これまでの研究では,トポロジカル相の発現における弾性場の役割は明らかにされてこなかった。

研究グループは,トポロジカル相を分子形状および分子間のねじれにより制御可能な分子モデルを提案し,コンピュータシミュレーションにより,相転移における弾性場の発現,および応答の物理的な解明を目指した。

研究で扱う分子は,分子自体がもつキラリティに由来して,隣り合った分子同士は,ねじれた配置をとるとき安定になる。そこで,分子の形状を変化させ,隣り合った楕円体分子間に働くねじれの強さを制御したところ,多様なトポロジカル相転移を制御することに成功した。

具体的には,ねじれが弱い時は分子の向きが揃った均一相,ねじれを強くしていくと分子の向きがねじれたらせん相,そしてさらにねじれを強くすると分子が渦状に配向したハーフスキルミオン相への相転移が起こることを明らかにした。さらに,ハーフスキルミオン相内部においても,ハーフスキルミオンの配列が液体相,ヘキサチック相,結晶相と相転移していく現象が観測された。

観測されたさまざまなトポロジカル相転移は,分子配向の変化を伴う。そのため,楕円体分子の向きが変わると,そちら方向に物体が伸びるという性質をもち,変形を伴う。このことから,相転移により弾性場が発生すること,そしてその結果として,外から力を与えることで,これらの相を制御できることを明らかにした。

この結果は,アクチュエータや圧電素子などの工学的応用につながるものと期待されるという。この研究の結果は,分子結晶やコロイド結晶を用いて,電気・磁気のみならず,力学的にも高機能なトポロジカル材料を設計するための基礎的な物理原理を提供するものであり,研究グループは,実用上のインパクトも大きいものだとしている。

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