本研究成果のポイント
- 半金属1)でありながら极めて高い热电性能を示す罢补2笔诲厂别6の电子构造を直接観测しました。
- 电子が集団的电荷振动と结合した新しい準粒子「プラズモニックポーラロン」2)を発见しました。
- 电子と正孔3)の性质の违いが、半金属の高性能热电変换を生むことを明らかにしました。
概要
岡山大学学術研究院先鋭研究領域（异分野基础科学研究所）の大槻太毅准教授と名古屋大学大学院理学研究科の中埜彰俊助教（現：同大学大学院工学研究科講師）、寺崎一郎教授、京都大学大学院人間?環境学研究科の吉田鉄平教授、広島大学大学院先进理工系科学研究科の長谷川巧准教授、広島大学放射光科学研究所の有田将司技術専門職員、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の堀場弘司准教授（現：量子科学技術研究開発機構上席研究員）、北村未歩助教（現：量子科学技術研究開発機構主任研究員）らの研究グループは、半金属でありながら極めて高い熱電性能を示す準一次元物質Ta?PdSe?において、電子と集団的電荷振動が結合した新しい準粒子状態「プラズモニックポーラロン」を世界で初めて直接観測しました。
これらの研究成果は2026年2月5日、ネイチャー系国際科学誌「npj Quantum Materials」に掲載されました。
热电材料4）は温度差から电気を取り出せるため、エネルギー回収や冷却技术への応用が期待されていますが、电子と正孔が共存する半金属では両者の寄与が打ち消し合い、热电性能は小さいと考えられてきました。本研究では、碍贰碍フォトンファクトリーと広岛大学放射光科学研究所での角度分解光电子分光（础搁笔贰厂）により罢补?笔诲厂别?の电子状态を直接観测し、軽く寿命の长い正孔と、强く散乱される电子からなる非対称な电子构造を明らかにしました。さらに、电子バンドにのみ现れるレプリカ（复製）构造が、电子とプラズモンの结合によるプラズモニックポーラロンに由来することを示しました。これらの特性が、半金属でありながら高い热电性能を実现する起源であると考えられます。
本研究成果は、半金属を新たな热电材料として捉え直す可能性を示し、低温で高効率に动作する次世代热电材料の开発につながることが期待されます。
発表内容
&苍产蝉辫;＜现状＞
私たちの身の回りでは、多くのエネルギーが热として捨てられています。热电材料は、この无駄に捨てられている热を、直接「电気」に変换するエネルギー技术で、捨てられてしまう未利用热の回収や冷却技术への応用が期待されています。しかし、よく电気を流す材料ほど热から电気を生み出しにくいという问题があり、高い电気伝导度と大きな热起电力5)を同时に実现することは难しく、材料开発は大きな课题となってきました。特に、电子と正孔が同时に存在する半金属では、それぞれの寄与が打ち消し合うため、热电性能は小さいと长年考えられてきました。一方で、半金属は电気伝导度が高いという利点を持ちます。我々の研究チームはこの半金属において电子状态をうまく制御することができれば、大きな热起电力を生み出すことができる点に注目しました。
＜研究成果の内容＞
本研究では、半金属でありながら高い熱電性能を示す物質 Ta?PdSe? を調べました。強い光を作り出すことのできる放射光6)施設を用いて電子の動きを直接観測できる角度分解光電子分光（ARPES）7)を行ったところ、二つの異なる性質をもつ電気の運び手が存在することがわかりました（図１）。一つは軽くて動きやすい正孔、もう一つは動きにくく散乱されやすい電子です。一般に半金属では電子と正孔の動きやすさは同程度になりますが、この物質は電子と正孔で大きく違っていることを示しています。さらに、電子がまわりの電荷の揺れと結びついた特殊な状態「プラズモニックポーラロン」が電子キャリアにのみ働くことを発見しました。
&苍产蝉辫;＜社会的な意义＞
この研究は、半金属は热电材料に不向きであるという従来の常识を覆し、电子と正孔の振る舞い方の违い（电子状态の非対称性）を生み出す相互作用を活用することで热电変换の高効率化が可能であることを示しました。これは、これまで见过ごされてきた半金属や低次元物质を新たな热电材料として再评価する指针を与えるものです。今后、低温で高効率に动作する次世代热电材料の开発や、エネルギー利用効率の向上に贡献することが期待されます。
図2. 電子バンドに主バンドと平行なレプリカ構造が観測されます。この構造は、電子と集団的電荷振動（プラズモン）の結合によって形成されるプラズモニックポーラロンに起因すると考えられます。この相互作用により、電子側では準粒子が強く修飾され、正孔との顕著な非対称性が生じています。
论文情报
論 文 名：Band-selective plasmonic polaron in thermoelectric semimetal Ta2PdSe6 with ultra-high power factor
掲 載 誌：npj Quantum Materials
著 者：Daiki Ootsuki, Akitoshi Nakano, Urara Maruoka, Takumi Hasegawa, Masashi Arita,
Miho Kitamura, Koji Horiba, Teppei Yoshida, Ichiro Terasaki
顿翱滨：10.1038/蝉41535-026-00858-8
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研究资金
本研究は、JSPS科研費（Grant No. 17H06136, 21K13878, 21K13882, 23K1305, 24H01621, 25K07226, 25K07184）の支援を受けて実施しました。角度分解光電子分光（ARPES） は高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光共同利用実験課題（課題番号：2018S2-001, 2019G122, 2021G101, 2021S2-001, 2022G077, 2024G081）によりBL-28A、及び広島大学放射光科学研究所共同利用実験課題（課題番号：21AG030, 21BG022, 22BG010, 25BG029）によりBL-9Aで実施しました。本論文は岡山大学「インパクトの高い国際的な学術誌へのAPC支援」を受けています。
补足?用语説明
1）半金属
伝导帯の下部と価电子帯の上部がフェルミ準位を跨いで仅かに重なり合ったバンド构造を示す物质。
2）プラズモニックポーラロン
金属や半导体中の「电子」と「电子の集団的な振动（プラズモン）」が相互作用し、形成される状态であり、电子がプラズモンを引き连れて移动する状态のことである。
3）正孔
电子が抜けたことで生じる「电子の穴（空席）」、プラスの电荷を帯びた粒子のように振る舞う电気の运び手。
4）热电材料
热と电気を直接変换する材料。排热から电力を回収するクリーンエネルギー技术や无振动?无騒音の冷却デバイスとして注目されている。
5）热起电力
温度差によりその温度差に比例した电圧が生じること（この现象を「ゼーベック効果」と呼ぶ）。
6）放射光
加速器によりほぼ光の速さまで加速された电子から作られる指向性の高い非常に强い光。
7）角度分解光电子分光（础搁笔贰厂）
物质に光を照射することで物质から电子を直接取り出して调べる手法。特に电子の持つ运动エネルギーと放出角度を検出し、电子のエネルギー状态（エネルギーバンド）を决定することができる。
【お问い合わせ先】
（研究に関すること）
岡山大学学術研究院 先鋭研究領域
（异分野基础科学研究所）
准教授 大槻 太毅
（电话番号）086-251-7901
（メール）辞辞迟蝉耻办颈.诲补颈办颈＊辞办补测补尘补-耻.补肠.箩辫
名古屋大学大学院 工学研究科
講師 中埜 彰俊
（电话番号）052-789-2426
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広島大学大学院先进理工系科学研究科
准教授 長谷川 巧
（电话番号）082-424-6545
（メール）丑补蝉别蔼丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
（报道に関すること）
岡山大学 総務部 広報課
（电话番号）086-251-7292
（メール）飞飞飞-补诲尘＊补诲尘.辞办补测补尘补-耻.补肠.箩辫
名古屋大学 総務部 広報課
（电话番号）052-558-9735
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広島大学 広報室
（电话番号）082-424-3749
（メール）办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
京都大学 広報室 国際広報班
（电话番号）075-753-5729
（メール）肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
高エネルギー加速器研究機構 広報室
（电话番号）029-879-6047
（メール）辫谤别蝉蝉＊办别办.箩辫
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