モット絶縁体

モット絶縁体：電子相関が織りなす絶縁状態

物質の電気伝導性は、一般的にバンド理論で説明されます。しかし、電子間相互作用が強い系では、バンド理論の予測と異なる振る舞いを見せる場合があります。モット絶縁体とは、まさにそのような例外です。

バンド理論では、単位格子あたりの電子数が奇数の場合は、電子がバンドを半分だけ満たし、金属的な伝導性を示すと予想されます。ところが、実際には絶縁体となる物質が存在し、これがモット絶縁体です。この現象は、電子間の強い斥力、すなわち電子相関効果によって引き起こされます。モットとパイエルスは、この電子相関に起因する絶縁状態の存在を指摘しました。

単純なバンド理論では説明できないモット絶縁体の発現メカニズムは、電子同士が互いに強く反発し合うため、電子が自由に動けなくなり、絶縁体となることを意味します。これは、電子が特定の原子に局在化し、電子の移動が阻害されるためです。

興味深いことに、モット絶縁体は磁性を示す場合が多いです。例えば、多くのモット絶縁体は反強磁性を示します。これは、電子スピンの秩序化が電子相関と密接に関係していることを示唆しています。

もし、モット絶縁体に電子または正孔を添加すると、それらは自由に動き回り、電気伝導性が向上すると予想されます。ただし、原子位置にランダムなポテンシャルが存在する場合、電子の動きは束縛され、伝導性が制限される可能性があります。

モット絶縁体の例

いくつかの代表的なモット絶縁体を挙げ、その特徴を説明しましょう。

1. ReNiO3:

ReNiO3は、ペロブスカイト構造を持つ遷移金属酸化物です。ここで、Reは希土類元素を表します。低温では、価電子はNiサイトに局在化しており、絶縁体として振る舞います。しかし、温度上昇に伴い、Reのイオン半径が増加し、結晶構造に歪みが生じます。この歪みによって、Niサイトに局在していた電子が動き回り、金属へと転移します。ReがPr（プラセオジム）またはNd（ネオジム）の場合、低温の絶縁体相は同時に反強磁性を示します。

2. 二硫化タンタル (TaS2):

TaS2は、走査型トンネル顕微鏡を用いた実験によりモット絶縁体であることが確認されています。この物質は、原子配列構造の一周期に13個という奇数の電子を含んでいます。にもかかわらず、電子相関効果により絶縁体となるという、モット絶縁体の典型例です。

3. Sr2IrO4:

5d遷移金属酸化物であるSr2IrO4は、スピン軌道相互作用によって誘起されるモット絶縁体です。この物質では、スピン軌道相互作用が電子相関効果と協同して、モット絶縁状態を安定化させています。

まとめ

モット絶縁体は、バンド理論では説明できない、電子相関効果によって生じる特異な絶縁体です。様々な物質で観測され、その物性は温度、圧力、磁場などの外部パラメータによって大きく変化します。これらの物質の性質を理解することは、新材料開発や基礎物理学の進展に繋がる重要な研究課題です。 モット絶縁体の研究は、強相関電子系物理学の中核をなす重要なテーマであり、今後も活発な研究が続けられるでしょう。 今後の研究では、より複雑な系におけるモット絶縁体の挙動や、その応用展開が期待されています。

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