研究概要
A01においては、分子軌道（化学結合）の視点に立ち、超強磁場中で発現する新たな固体結晶の探索・解明（超強磁場による分子軌道・カタストロフィー）を行います。特に、共有結合やイオン結合、水素結合の観点から化学結合への磁場効果を捉え、より微視的な分子軌道描像・電子分布から理解することで、化学結合への非摂動磁場効果を量子力学的に解明します。これまで磁場効果の研究対象とはならなかったBaTiO3やPbTiO3などの強誘電体や、VO2などの分子軌道結晶をはじめとした量体化物質、水素結合が重要となる鉱物結晶であるボルボサイトや誘電体KH2PO4などを対象とし、最大1000 テスラまでの強磁場中において結晶構造相転移の探索を電気的、磁気的、光学的（X線を含む）に行います。また、得られた結果を理論の方々や領域の方々と議論することで、化学結合への非摂動磁場効果の理解へつなげてゆきます。
磁場は相対論的電気効果によって運動する荷電粒子間に現れる普遍的場です。地球上においては室温程度のエネルギーにおいて十分安定な化学結合によって固体が形成されていますが、地磁気は0.3 ~ 0.5 ガウス（1/10000テスラ）と弱いため、通常は化学結合への磁場効果は無視できるほど小さいと考えられます。しかし原理的には、荷電粒子の相対運動が起これば磁場は必然的に発生し、ゼーマンエネルギーシフトやサイクロトロン運動などの磁場効果としてスピンや軌道運動に直接影響を与えるため、宇宙空間まで含めた自然界の形成の理解において、化学結合への磁場効果の理解は基本的かつ重要な課題であり本研究領域の核心をなす問いとなっております。
化学結合は物質形成における基本概念であり、共有結合、イオン結合、金属結合、水素結合、ファンデルワール結合などの概念で整理されています。しかし、個々の物質においては中間的状態を示す場合も多く、微視的理解は容易ではありません。特に、分子軌道形成による共有結合では電子がフェルミ粒子であることの帰結として、スピンと波動関数の空間拡がりが重要であり、超強磁場は恰好の化学結合制御場として機能します。実際に中性子星などの宇宙空間では、化学結合が強力な磁場による劇的な影響を受け、結合破壊による分子の崩壊や、従来の化学結合の範疇に入らない新しい化学結合様式の実現が理論的に予測されています。H2やN2などの分子破壊には、磁場が10万テスラ程度必要ですが地球上での実現は困難と言わざるをえません。一方、固体の構造相転移が化学結合の様式変化により生じていると考えれば、室温程度のエネルギースケールで、その化学結合様式に影響を与えられる可能性があります。これに相当する磁場が1000テスラ（1350 K）です。
一例を挙げます。ペロブスカイト型酸化物の強誘電（構造）相転移はフォノンモードのソフト化から定性的に理解されてきましたが、最近の精密電子密度解析による一電子レベルでの共有結合電子の可視化により、これらの相転移が共有結合性の強さにより引き起こされていることが明らかとなってきました。このように数百Kオーダーで相転移を引き起こす共有結合系において、1000 テスラ強磁場をもってすれば共有結合への磁場効果が期待できます。ところが、1000 テスラ強磁場を実現できる機関は東大物性研のみであり、このような超強磁場による化学結合への非摂動アプローチはこれまでに系統的・組織的に行われてきておりませんでした。類似研究が全く無いということで課題そのものが非摂動的であり、不安と期待が入り混じっておりますが、今回幸いにもこのような課題に取り組む機会をいただきましたので、A01はもとより、領域内外の皆さんと連携しながら進めてゆければと考えています。
研究課題の「問い」
○ 化学結合への磁場効果、特に非摂動磁場効果の理解
本研究の目的
○ 分子軌道（化学結合）系において、1000テスラ強磁場中で発現する新たな固体結晶（分子軌道・カタストロフィー）の探索と解明。特に、共有結合やイオン結合、水素結合の観点から化学結合への磁場効果を捉え、化学結合への非摂動磁場効果を解明。
