強磁性を保ったまま金属から絶縁体になるしくみを解明

平 成 23 年 12 月 22 日
報道関係者各位
国立大学法人
千葉大学
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
国立大学法人
東京大学
強磁性を保ったまま金属から絶縁体になるしくみを解明
－クロム４量体化とパイエルス機構－
【概
要】
千 葉 大 学 大 学 院・理 学 研 究 科 の 太 田 幸 則（ オ オ タ ユ キ ノ リ ）教 授 、融 合 科 学 研 究
科 の 小 西 健 久（ コ ニ シ タ ケ ヒ サ ）准 教 授 、高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構（ KEK）物
質 構 造 科 学 研 究 所・構 造 物 性 研 究 セ ン タ ー（ CMRC）の 中 尾 裕 則（ ナ カ オ ヒ ロ ノ リ ）
准 教 授 、 中 尾 朗 子 （ ナ カ オ ア キ コ ） 助 教 （ 現 ： 一 般 財 団 法 人 総 合 科 学 研 究 機 構 ）、
お よ び 東 京 大 学・物 性 研 究 所 の 上 田 寛（ ウ エ ダ ユ タ カ ）教 授 、礒 部 正 彦（ イ ソ ベ マ
サ ヒ コ ）博 士 の 研 究 グ ル ー プ は 、KEK放 射 光 科 学 研 究 施 設 フ ォ ト ン フ ァ ク ト リ ー ※ １
を 用 い 結 晶 構 造 解 析 に よ っ て 、ホ ラ ン ダ イ ト 型 ※ ２ 酸 化 物（ K 2 Cr 8 O 16 ）が 強 磁 性 ※ ３ を
保ったまま金属から絶縁体に転移するしくみを初めて明らかにしました。
こ の 転 移 は 温 度 に よ っ て ク ロ ム (Cr)が ４ 量 体 化 ※ ４ を 伴 っ た 格 子 変 形 が 起 こ る た め
に、電子の流れにくい状態になるというものです。このように格子構造の変化に伴
ってバンド構造※５が変化するパイエルス転移※６を実験と理論の立場から明らかに
したのは初めてのことで、今後、新奇な物性を示す相関系物質の開発へ発展するこ
とが期待されます。
こ の 研 究 成 果 は ，米 国 科 学 誌 Physical Review Lettersの 2011年 12月 23日 号（ 現 地
時間）に掲載予定です。
【背
景】
ホランダイト型酸化物は、ナノサイズのトンネル構造をもつため、この構造を利
用した機能性材料として、近年注目されている物質です。また、この物質は価数の
違うイオンが混在していること、結晶構造は低次元性であること、電気伝導性や磁
気的フラストレーション※７が存在することから、多様な物性を示す可能性があり、
物性研究の観点からも関心がもたれています。
こ れ ま で 、 上 田 寛 教 授 と 礒 部 正 彦 博 士 ら は 、 K 2 Cr 8 O 16 が 強 磁 性 を 保 っ た ま ま 金 属
から絶縁体に転移することを見出していましたが、その起源は未解明でした。ホラ
ンダイト型酸化物のような強相関電子系では、強磁性と金属性は密接な関係があり、
強磁性の絶縁体は非常に希な物理的性質であるため、その発現機構の解明が期待され
ていました。
【研究内容と成果】
本 研 究 で は 、 強 磁 性 金 属 ・ 絶 縁 体 転 移 を 示 す ホ ラ ン ダ イ ト 型 酸 化 物 K 2 Cr 8 O 16 に つ
い て 、KEK放 射 光 科 学 研 究 施 設 フ ォ ト ン フ ァ ク ト リ ー の BL-8を 用 い て 強 磁 性 絶 縁 体
相の精密な結晶構造を調べました。その結果、低温絶縁体相で一次元的なトンネル
を 構 成 す る ４ つ の Cr-O-Cr鎖 の 構 造 変 化 を 見 出 し ま し た 。実 験 的 に 得 ら れ た 結 合 距 離
の 異 な る Cr-Oは 、 一 次 元 方 向 に 交 互 に 配 列 （ 結 合 交 替 ） し 、 ク ロ ム が ４ 量 体 を 形 成
し て い る こ と が 分 か り ま し た（ 図 ）。さ ら に 、結 晶 構 造 結 果 を 用 い た バ ン ド 計 算 か ら 、
K 2 Cr 8 O 16 は パ イ エ ル ス 不 安 定 性 ※ ６ を 持 つ こ と を 発 見 し ま し た 。強 磁 性 絶 縁 体 相 で は 、
ク ロ ム 3価 （ 3ｄ 3 ）： ク ロ ム 4価 （ 3ｄ 2 ） =1： 3に 対 応 し て 、 ４ 量 体 化 し た ク ロ ム が 余
り の 1電 子 を 共 有 し て パ イ エ ル ス 転 移 が 生 じ 絶 縁 化 し て い る メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に
しました。
通常のパイエルス機構※６では結晶格子を歪めて結合交替が起こるとともにスピン
はシングレットと呼ばれるスピンの向きが反対の対を形成します。
ところが本物質は、スピンの向きが全て揃っている状態（完全分極）の強磁性体
が、スピンの向きを保ったままパイエルス転移する、すなわちスピン自由度のない
パイエルス転移という特異な例であることがわかり、今後新奇な物性を示す強相関
系物質の開発へ発展することが期待されます。
＜論文名＞
「 Peierls Mechanism of the Metal-Insulator Transition in Ferromagnetic
Hollandite K 2 Cr 8 O 16 」
雑 誌 名 「 Physical Review Letters 」 ＋ 2011 年 12 月 23 日 号 (オ ン ラ イ ン 版 2011 年
12 月 20 日 )
【参考図】
【お問い合せ先】
＜研究内容に関すること＞
千葉大学大学院理学研究科
教授 太田幸則（オオタ ユキノリ）
TEL： 043-290-2755
E-mail： [email protected]
＜報道担当＞
国立大学法人
千葉大学
理学部総務係
TEL： 043-290-2871
FAX： 043-290-2874
E-mail： [email protected]
【用語解説】
※ １ ： 放 射 光 科 学 研 究 施 設 フ ォ ト ン フ ァ ク ト リ ー （ PF）
光 (Photon)の 工 場 (Factory)の 愛 称 で 親 し ま れ て い る PFは 、 日 本 初 の X線 を 利 用 出 来
る 放 射 光 専 用 光 源 と し て 1982年 に 完 成 し ま し た 。 大 学 や 研 究 機 関 が 共 同 で 利 用 実 験 す
る た め の 施 設 (大 学 共 同 利 用 機 関 )と し て KEKで 運 用 さ れ 、 年 間 約 ３ 千 名 を 超 え る 国 内
外の研究者が実験に訪れ、物質科学・生命科学の基礎から応用に至る世界最先端の研
究成果を創出しています。
※２：ホランダイト型（酸化物）
化 学 式 A 2 B 8 O 16 で 表 さ れ る 。 B O 6 八 面 体 で ２ 重 鎖 を 形 成 し (左 図 )、 ４ つ 二 重 鎖 が ト ン
ネ ル 構 造 を 形 成 し た 結 晶 構 造 を と る （ 右 図 ）。
※３：強磁性
スピンが同一の向きに並んでいる状態をいう。
※ ４ ： 4量 体 （ 化 ）
同種の４つの単量体が物理・化学的な力によってまとまることをいう。
※５：バンド構造
周期的構造によって生じる帯状の電子のとり得るエネルギー状態を表した構造をいう。
※６：パイエルス不安定性・パイエルス転移・パイエルス機構
一 次 元 的 に 等 間 隔 に 並 ん だ 格 子 点 は 、 隣 接 す る サ イ ト の 電 子 か ら 受 け る 斥 力 (反 発 力 )が
増大することで不安定になる。このため、エネルギーを得るために格子点の配置はペアを
つくり安定化を図る。この電子－格子系の不安定性をパイエルス不安定性といい、パイエ
ルス不安定性のために格子歪みが起こることをパイエルス転移、そのしくみをパイエルス
機構と呼ぶ。
格子の歪み
※７：磁気的フラストレーション
スピンが安定した構造を取れないこと。