結晶の中に潜む「隠れた分子」を発見
――放射光が解き明かす非磁性絶縁体の謎――

2026年5月20日
東京大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター
科学技術振興機構(JST)

◆放射光X線回折と逆モンテカルロシミュレーションにより、ニオブ酸化物結晶の中に従来の方法では見えない「隠れた分子」を発見しました。
◆発見した分子は、この物質の磁性と伝導性を支配している可能性があります。
◆結晶に潜む短距離相関を可視化する新たな解析手法の有効性を実証しました。本手法は、物質中に潜む新たな物理現象の発見につながることが期待されます。

物質科学の研究において、物質中の原子の並び方（結晶構造）を知ることは物性理解の出発点です。近年では計算科学が飛躍的に発展し、結晶構造から電子の状態を計算することで、物質の性質をある程度予測できるようになりました。例えば、水素化物における高圧下での超伝導の発見などは、理論予測をきっかけに実験的にも実証されています。

しかし、電子同士の相互作用（電子相関）が強い物質では、結晶構造から予想される性質と実際の振る舞いが一致しないことがあります。パイロクロア構造^※5をもつニオブ酸化物Y₂Nb₂O₇はその代表例です。この物質では、イットリウム(Y)とニオブ(Nb)がそれぞれパイロクロア格子を形成しています。Y₂Nb₂O₇において、Yイオンは+3価で閉殻電子配置をとり、物性への寄与はほとんどありません。一方、+4価のNbイオンは価電子を1個持ち、金属的あるいは磁気的な振る舞いを示すことが期待されます。ところが、過去の磁化測定では、この物質が非磁性の絶縁体であることが報告されており、結晶構造からの予測と矛盾していました。この問題は20年以上にわたり未解決の謎として残されてきました。

本研究グループは、この謎を解明するため、Y₂Nb₂O₇単結晶を用いたX線回折実験を、大型放射光施設SPring-8のBL02B1ビームラインにおいて実施しました。放射光では、実験室光源と比べて1億倍以上明るいX線を利用できるため、通常の測定では捉えられない微小な構造変化を検出することができます。その結果、三次元的に分布する非常に弱い散漫散乱強度の観測に成功しました（図1a）。散漫散乱は結晶中の乱れや短距離相関を反映する重要な信号ですが、そのパターンは複雑なことが多く、従来の結晶構造解析では扱うことが困難でした。本研究では、逆モンテカルロシミュレーションを用いてこの膨大な散漫散乱データを解析し、Nbイオンの微小な変位によって散漫散乱パターンを再現することに成功しました（図1b）。

得られた結晶構造の中には、一直線上に並んだ4つのNbイオンがわずかに近づき合って形成される「四量体」が存在することが分かりました。この四量体は分子のように振る舞い、分子軌道を形成します。これらの軌道に4つの電子が低エネルギー準位から順に占有されることで電子が対を作り、非磁性絶縁体が実現されます（図2）。

本研究は、長年の未解決問題であった非磁性絶縁体状態の起源を、分子軌道という観点から明確に説明したものです。本研究で実証した手法は、さまざまな量子物質や機能性材料に広く適用可能です。これにより、従来の結晶構造解析では捉えられなかった局所構造や電子状態を明らかにし、物質中に潜む新たな物理現象の発見につながることが期待されます。

東京大学大学院新領域創成科学研究科
鬼頭　俊介　助教
西田　祥太　研究当時：修士課程
徳永　祐介　准教授
有馬　孝尚　教授
兼：理化学研究所　創発物性科学研究センター　センター長

理化学研究所　創発物性科学研究センター
豊田　新悟　研究員

高輝度光科学研究センター
中村　唯我　研究員

本研究はJSPS 科学研究費助成事業（課題番号：JP24K17006、JP24H01644、JP24K00582）、JST 創発的研究支援事業（課題番号：JPMJFR2362）の支援により実施されました。

【用語解説】