Title 強磁場かつ高圧下での磁化測定 Author(s) 濱本, 輝文 Citation

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Issue Date
強磁場かつ高圧下での磁化測定
濱本, 輝文
大阪大学低温センターだより. 109 P.1-P.5
2000-01
Text Version publisher
URL
http://hdl.handle.net/11094/8946
DOI
Rights
Osaka University
研究 ノー ト
強磁場 かっ高圧下で の磁化測定
極 限科 学 研 究 セ ソ ター
濱
本
輝
文
そ も そ も 「強 磁 場 や 高 圧 、 極 低 温 に お い て い ろ い ろ面 白 い現 象 が発 見 さ れ て い るの だ か ら、 これ を ミ ッ
ク ス した 複 合 極 限 下 で な ら、 も っ と も っ と 面 白 い こ と が あ る だ ろ う。 」 と い う考 え か ら、 古 くか ら複 合
極 限 状 態 の 生 成 や そ の 状 態 下 で の 物 性 測 定 実 現 の た め 、 開 発 が 行 わ れ て き ま した 。 今 回 説 明 させ て い た
だ く強 磁 場 ・高 圧 下 で の 物 性 測 定 に 限 定 して 言 え ば 、 定 常 強 磁 場 を用 い た 磁 化 測 定 な ら ば 可 能 に な っ て
い ま した 。 け れ ど現 在 得 ら れ る定 常 強 磁 場 は 高 々40T程
度 で 、 胸 を張 っ て 「私 達 は 強 磁 場 で 高 圧 磁 化 測
定 を や って ます よ」 と言 う た め に は 、 や は り パ ル ス磁 場 を 用 い て 実 現 さ せ た い 。 そ の 思 い で 開 発 を 行 っ
て きた パ ル ス 磁 場 を用 い た 高 圧 磁 化 測 定 法 と測 定 例 に つ い て こ れ か ら説 明 し ます 。
装 置 開発
実 は前 年度 の 『極 限科学 研 究 セ ソ ター報告 書』 に
灘
1…
お いて、 装置 開発 につい て は既 に説 明 して い ます 。
瞬簾藍購
です ので 、前 年度 まで の 開発 につ い ては 手短 に お話
鍵購購 鍵
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し し、続 けて 今年 度改 良 した 部分 に つい て お話 しま
臨囎
ピス ト ン
腱 ・.『
「 需 一
…嚢・ 騒
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フ ロリナー ト
(圧力 媒 体)＼
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図1に 実 験装 置 と高圧 セル の概略 図 を示 します 。
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一
装置 開発 におい ての一 番 の難 点 は 『うず 電流 の影
il
只
パル ス磁 石
響 を いか に軽減 す るか』 で した。 うず電 流 は磁場 の
2φ
時 間変 化 に比例 して発生 す る誘起 電 流 で、定 常磁 場
一
鱈
すず
(圧力校正用)
で は発 生 しな いパ ルス磁 場特 有 の もの です。 これ は
E(亟
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磁化 信 号 の ノイズ とな った り発熱 の原 因 にな ります 。
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高圧セル7
特 に精密 に磁 化 を測 定す るため に は、磁 化信 号 に の
る ノイ ズ を消 す ことが一 番 の問題 で した。 それ を軽
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検 出コイ ル
1
高 圧 セル ごと試 料 の磁化 を測定 す る誘 導法 で す。
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試料
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測 定法 は磁 化検 出 コイル を高圧 セ ルの 外側 に巻 い て、
図1実
験 装置 と高圧 セル の概略 図
減す る方 法 は うず 電 流そ の もの を減 らす 方法 とそれ
を あた か も感 じない よ うにす る方 法 の2つ が あ ります。 我 々は その両 方 か らの アプ ロー チを しま した。
簡 単 に説 明す る と磁 場 の時 間変 化 を緩 や か にす る こ と、 比較 的電 気 抵抗 の大 きな素材(Be-Cu合
一1一
金)
を使 う こ と に よ っ て 、 うず 電 流 そ の も の を 減 ら し ま した 。 また 、 マ グ ネ ッ トの 最 高 磁 場 を 発 生 す る空 間
の 高 圧 セ ル の構 造 を な る べ く均 一 に して 、 うず 電 流 が 生 じて も試 料 を 入 れ た 時 と抜 い た 時 の バ ッ ク グ ラ
ウ ソ ドの 誘 導 起 電 力 が ほ ぼ 同 じに な る よ う に し、 磁 化 信 号 の ノ イ ズ を 軽 減 し ま し た 。
次 に 、 磁 場 発 生 中 の 発 熱 の 問 題 で す が 、 実 際 に 高 圧 セ ル の 中 に 温 度 計 を 入 れ て 確 か め て み ま し た。 液
体 ヘ リウ ム 温 度4.2K以
上 で は 磁 場 発 生 中 に 温 度 変 化 が な い こ と が 分 か り、4,2K以
る こ と に よ っ て 、 問 題 な く2K以
に12kbarま
一方
下 で は温 度校 正 をす
上 の 測 定 が 行 え る こ と が分 か りま した 。 こ の こ と に よ り、 前 年 度 ま で
で の 高 圧 か つ43Tま
での 強磁場 下 で の磁化 測定 が可 能 と な りま した。
、 今 年 度 の 改 良 点 は(1)4.2K以
上 の 温 度 変 化 が 可 能 に な っ た(2)最 高 磁 場 が50Tに
度 が 向 上 した こ とで す 。 この こ と に よ り磁 場 ・圧 力 ・温 度 の3つ
な っ た(3)測定 感
の 外 場 を パ ラ ン ー タ と した 磁 化 測 定 が
可 能 と な り、 測 定 磁 場 範 囲 も 向 上 し ま した 。 ま た 、 測 定 感 度 が 向 上 した こ と に よ って 低 次 元 磁 性 体 の よ
うな 比 較 的 小 さ な 磁 化 しか も た な い 試 料 に つ い て も 測 定 で き る よ う に な り ま した 。
測 定 例
高 圧 下 で の パ ル ス磁 化 測 定 は 、 これ まで 行 わ れ て こ な か っ た 新 し い試 み な の で 測 定 して み る と面 白 そ
うな 対 象 物 質 は い ろ い ろ と あ り ま す 。 こ こ で は 低 次 元 磁 性 体NH、CuCl3と
重 い 電 子 系 反 強 磁 性 体CeRh2
Si、に つ い て 行 っ た 痴 定 例 を 紹 介 し ま す 。
低 次 元 磁 性 体NH.CuCI,に
つ いて
これ まで 高 圧 強 磁 場 下 で の 物 性 測 定 は 、 ほ と ん ど が 電 気 抵 抗 測 定 で あ り、 絶 縁 体 で あ る低 次 元 磁 性 体
に 対 す る高 圧 強 磁 場 下 で の物 性 測 定 は 、 今 回 が 初 め て な の で は な い で し ょ う か 。 例 え ば 電 気 抵 抗 測 定 な
ど に よ って 高 圧 強 磁 場 下 で 何 か あ りそ うだ と分 か っ て い る も の な らば 、 結 構 手 を 出 しや す い の で す が 、
NH、CuCI,に
つ い て は そ う い っ た 情 報 は あ り ま せ ん で した 。 『イ オ ン結 晶 だ か ら柔 らか そ うだ 。 磁 性 イ
オ ソ間 の 距 離 に依 存 す る交 換 相 互 作 用 く ら い は 変 化 す る か な。 も し か した ら新 現 象 が 現 わ れ る か も しれ
な い 。 』 と い うモ チ ベ ー シ ョソ で 実 験 を 行 って み ま し た。
低 次 元 磁 性 体 は 一 般 に 磁 化 の 小 さ い 試 料 が 多 く、 こ の 実 験
(1.2
7kbar
は 今 年 度 行 った 改 良 に よ っ て 初 め て 可 能 と な り ま した 。+N
図 、、
。NH,。 。C13の高 圧 磁 化 過 程 を 示 しま す.一
分 か 、 。 と は 常圧 下 で 見 られ た 階 段 状 の靴
7kbarに
た かも
鍵 の磁 化過 程)と 勧
・
階 段 状 の 構 造 が消 え て い る こ と で す 。 ま た 、 当 初 の モ チ ベ ー
。 。ンを支 持 、て飽和 醐(す
さ)は 常 圧 下 の 約30Tか
ら7kb
葱0・6
翫4
NH4CUC13
島
なわ ち交換 相互 作用 の大,§
arで は 約18Tに
1baz
過 程 が 、51α8琴
お い て は ・ 単 純 な 上 ぞ り の 磁 化 過 程(あ
S一 ・/・
ハ イ ゼ ・ベル グ反 強灘
見 、てtj1.0
_.T=2K................
α2
0.o
な り ま した 。
MagneticField(T)
こ の よ うな 『分 数 の 磁 化 の 大 き さ に安 定 状 態 が 観 測 さ れ
る低 次 元 磁 性 体 』 が 最 近 い ろ い ろ と見 つ か って ます 。 これ
は 『量 子 ス ピ ソ 系 に お け る磁 化 プ ラ トー の 問 題 』 と して理
図2
NH,CuCI,の
高圧 磁化 過程
た だ し7kbarの
0.2の
一2一
40
0102030
デ ー タ には 縦 軸 に
オ フ セ ッ トを つ け て い る 。
論 ・実 験 の 両 面 か ら現 在 注 目 され て い ます 。
図2を
あ ら た め て 見 ま す と 、7kbarの
磁 化 過 程 は 異 な る 磁 気 的 な サ イ トが 、 圧 力 を か け る こ と に よ っ
て 同 一 の サ イ トに な っ た た め 、 階 段 状 の 構 造 が な くな っ た と説 明 で ぎ る の か も知 れ ま せ ん 。 また7kbar
で の 磁 化 過 程 を 良 くみ る と 、 通 常 期 待 さ れ るs=i/2(従
っ て1μB)を
持 つ1次
元磁 性体 の磁 化過 程 に
比 べ 、 上 ぞ りrλぷ り が 小 さ い こ と が 分 か り ます 。 お そ ら く も っ と圧 力 を か け る と ほ とん ど直 線 的 に 飽 和
に達 す る磁 化 過 程 が 得 られ るで し ょ う。 こ れ は圧 力 印 加 に よ っ て 反 強 磁 性 秩 序 状 態 に磁 気 相 転 移 して い
る 再 能 性 塗示 唆 し て い ま す 。 ま た こ の 予 想 を 支 持 す る帯 磁 率 測 定 の 結 果 も得 て い ます 。 この よ う に 低 次
元 磁 性 体NH,CuCI,に
お いて 面 自 い現象 が観 測 され ま した。 現在 は他 の低 次元 磁 性体 につ いて もパル ス
磁 場 を用 い た 高 圧 磁 化 測 定 を 行 っ て い ま す 。
重 い 電 子 系 ②反 強 磁 性 体CeRh2Si,に
つい て
次 に重 い電 子 系 反 強 磁 性 体CeRh2Si2に
対 す る実 験 結 果 に つ い て お 話 しま す 。 こ の結 果 の 一 部 は 前 年 度
の 『極 限 科 学 研 究 セ ン タ ー 報 告 書 』 で も紹 介 して い ま す が 、 そ の 後 、 装 置 改 良 に よ って 温 度 変 化 の 測 定
が 可 能 と な った の で 、 そ の 新 しい 結 果 を 交 え て お 話 し ます 。
こ のCeRh2Si2は
重 い 電 子 系 反 強 磁 性 体 で 、 正 方 晶 の 結 晶 対 称 性 を持 ち 、 そ の 長 軸 方 向 のC軸 方 向 に 磁
化 しや す い物 質 で す 。 この 磁 化 容 易 軸(c軸)に
強 磁 場 を か け る と、 鋭 い 磁 化 の 跳 び が 観 測 さ れ ま す 。
こ の 現 象 を 『メ タ 転 移 』 と言 い ま す が 、 この メ タ転 移 は 反 強 磁 性 体 で 特 に1軸
異方 性の 大 きな物 質で観
測 さ れ ま す 。・
一 方 、 この メ タ転 移 は 常 磁 性 体 の 重 い 電 子 系 物 質 で も観 測 さ れ ま す 。 反 強 磁 性 体 に見 られ
る メ タ転 移 は 交 換 相 互 作 用 に 打 ち克 つ 強 磁 場 下 で 観 測 さ れ ま す が 、 重 い 電 子 系 の メ タ転 移 は局 在 モ ー メ
ン トを 小 さ く して い る近 藤 効 果 に 打 ち克 つ 強 磁 場 を か け る こ と に よ って 現 わ れ ま す 。 つ ま り、 常 圧 下 で
のCeRh2Si2の
メ タ転 移 は こ の2つ
の 理 由 の ど ち らで も説 明 で き る の で す が 、 『本 当 は ど っ ち か?』
を明
らか に す るた め 、 高 圧 下 で の パ ル ス 磁 化 測 定 行 い ま した 。 で は 『な ぜ 高 圧 下 で 測 定 す る と そ れ が 明 ら か
ま ず 、 図3(a)の
各 圧 力下 で の 帯磁 率 の温 度 変化 を見 て
み ま し ょ う。 実 線 の 下 向 き矢 印 は 各 圧 力 下 に お け る反 強 磁
い て は反 強 磁 性 秩 序 化 を 示 す 帯 磁 率 の 折 れ 曲 が りが 観 測 さ
を示 して い ます 。 図 中 の 破 線 上 矢 印 は 帯 磁 率 が 極 大 を 持 つ
〇
.5kbar
-3
.2kbar
-5.9kbar
-9
.5kbar
0204060
温 度Txmssを 示 し て い ま す 。7'、m脳以 下 で 温 度 減 少 に 伴 い 帯
磁 率 は 小 さ く な り、 これ は 近 藤 効 果 に よ っ て 局 在 モ ー メ ン
一
0
れ ず 、 す で に こ の 圧 力 下 で は 常 磁 性 状 態 に な って い る こ と
5
お
刷
￡一
g 。・,・・。
が抑 制 さ れ て い る 様 子 が 分 か りま す 。 ま た 、9.5kbarに
alongc-axis
0
性 転 移 温 度TNを 示 し て お り、 庄 力 に よ っ て 反 強 磁 性 状 態
CeRh2Si2j
5
磁 性 体 に な る か らで す 。
(
一
〇繧 ≧ 日 ONb 一× )身
高圧 下で常
0
に な る の か 』 で す が 、 そ れ は 単 純 にCeRh,Si,は
Temperature(K)
図3(a)帯
磁率 の温 度変 化 の圧 力変化
トが 小 さ くな り始 め た こ と を 示 して い ま す 。
図3(b)は9.5kbarに
お け る磁 化 過 程 の 温 度 依 存 性 で す 。 御 覧 の よ うに 常 磁 性 状 態 で も メ タ転 移 が ハ ッ
キ リ と観 測 さ れ ま した 。 つ ま りCeRh2Si2の
メ タ転 移 は重 い 電 子 系 特 有 の 『近 藤 効 果 に よ っ て 小 さ くな っ
一3一
た 局 在 モ ー メ ソ トが 復 活 す る タ イ プ の メ タ 転 移 』 で あ る こ
う。 温 度 揺 ら ぎ に の た め に メ タ 転 移 が ブ ロ ー ドに な り、
傍 まで は観 測 で き ませ ん で した が、 図 に示
す よ う に30K以
図3(c)に
上 まで メ タ転 移 が 観 測 され ま した 。
メ タ転 移 磁 場 砥 の 圧 力 ・温 度 依 存 性 を ま と め
9.5kbar
H//c
5
T、購=46K近
CeRh2Si2
0。
モ ー メ ン トが 小 さ くな り始 め るτ胆∬まで 観 測 され る で し ょ
(.
ε } )屋 醤 哨
↑
。
と が 分 か り ま した 。 こ の メ タ転 移 は 近 藤 効 果 に よ っ て 局 在
'6K
-15K
蝕
ま し た 。 ま た 、 各 圧 力 に お け るTNを 対 応 す る圧 力 の 黒 塗
一一25K
-30K
o.00
1020304050
り 印 で 示 し ま し た 。 常 磁 性 体 と な っ て い る9.5kbarの1勾
の 温 度 変 化 は 重 い 電 子 系 常 磁 性 体CeRuZSiZの
て 、 温 度 上 昇 に 伴 っ て 砥 は 高 磁 場 側 へ と シ フ ト して い ま
す 。 ま た 、3.2と5.9kbarに
MagneticField(T)
そ れ に類 似 し
図3
(b)9.5kbarに
変化
お け るHMの 温 度 変 化 は 重 い 電
子 系 反 強 磁 性 体UPd、Al,やURu,Si、
お・
け る磁 化過 程 の 温度
50
の そ れ に 類 似 して 、 温
CeRh2Si2'
度 上 昇 に 伴 っ て71Nに 向 か っ て い っ た ん 小 さ くな り、Tzmm
40
pOppppp9.5kbar
に 向 か って ま た 上 昇 す る結 果 が 得 られ ま した 。 この よ うに
冷 李.ム ム
た だ 一 つ の 試 料 を 用 い 、 そ の 局 在 モ ー メ ソ ト間 の 距 離 を圧
ρ30
力 に よ って 変 化 さ せ る こ と に よ っ て 、 代 表 的 な メ タ転 移 を
S20
田
f!1LL
ム幽 埜5ρ やaz
暁B自
中312kba
90
示 す 重 い 電 子 系 物 質 の メ タ転 移 の 温 度 ・圧 力 変 化 と 同 様 な
温 度 ・圧 力 変 化 が 得 られ ま した 。 と こ ろ で 、CeRh2Si2の
常
圧 下 で のTNと 丁脚 は 非 常 に 接 近 して い ま す 。 図3(a)を
見
0.5kbaz
10
0
る と、 『も し も局 在 モ ー メ ン ト間 を 引 っ張 っ て の ば す こ と
が で き た な ら 、Txmuは
低 温 側 に シ フ ト し、TNに
Temperature(K)
お け る帯
磁 率 の 折 れ 曲 が り に隠 れ て し ま うだ ろ う』 と予 想 で き る で
し ょ う。 す な わ ち 常 圧 下 のCeRh2Si2は7「xmuが
01020304050
(c)メ
タ転 移 磁 場 の圧 力 ・温 度 依 存 症
ぎ り ぎ り観
測 され る重 い 電 子 系 反 強 磁 性 体 の 極 限 と 言 え ま す 。 つ ま り、 図3(c)は
、重 い電子 系 に おい て 、帯 磁率
に ブ ロー ドな 極 大 を持 つ反 強 磁 性 体 の 極 限 か ら、 常 磁 性 状 態 に な っ た ば か り の 状 態 ま で の メ タ 転 移 の 温
度 変 化 を す べ て 表 して い ま す 。
以 上 、 低 次 元 磁 性 体NH,CuCl、
重 い 電 子 系 物 質CeRh2Si2に
に つ い て は 『圧 力 を か け る こ と に よ っ て 新 現 象 を 発 見 した こ と 』 を 、
つ い て は 『圧 力 を か け る こ と に よ っ て 磁 気 状 態 を 制 御 し、 重 い 電 子 系 反 強 磁
性 体 か ら常 磁 性 体 ま で の メ タ転 移 の 様 子 を 系 統 的 に 調 べ た こ と』 に つ い て 紹 介 しま した 。
ど うで す 。 面 白 い で し ょ う。 私 は 面 白 い と思 い ま す 。 な ぜ 面 白 い か?そ
な ぜ 新 しか っ た か?そ
れ は 新 しい 現 象 だ っ た か ら。
れ は 今 回 の 場 合 は 新 し い装 置 を 作 って 測 定 を 行 っ た か らで す 。 これ か ら も ガ ン ガ
ン 面 白 い 結 果 を 出 そ う と 思 っ て い ます 。
一4一
最 後 に
最 近 、 強 磁 場 ・高 圧 ・極 低 温 で の 物 性 測 定 が 確 立 され て き て お り、 そ の道 の 技 術 者 が そ ば に い な く と
も あ る程 度 の物 性 測 定 が 手 軽 に で き る よ う に な っ て きて い る。 そ れ は そ れ で 良 い こ と な の か も しれ な い
が 、P`の
測 定 肇 偉 を 立 ち 上 げ る の に青 春 を か け て い ます 』
、
と い う よ う な 愚 痴 に も 自慢 に も閣 こ`"zるよ
うな 声 が 聞 こxて
こ な い の は 、 そ れ は そ れ で 残 念 に 思 う。
な ど と い う こ と を 偉 い 先 生 か ら 聞 く こ と が あ る。 筆 者 は 若 輩 者 な の で そ ん な こ と は 言 わ な い が 、 そ う
お っ しゃ られ る と 「そ う か い な 」 と思 う。 今 回 、 パ ル ス 強 磁 場 と高 圧 を 組 み 合 わ せ た 磁 化 測 定 装 置 の 開
発 が 「 段 落 し 、 自慢 は い け な い が 自分 自身 「これ な ら ば 」 と 自 信 を 持 て る装 置 に 育 て あ げ た の で 、 末 筆
を歴 史 あ る 低 温 セ ソ タ ー に 記 載 して い た だ い た。 『濱 本 くん 、 書 い て み た ら?』
と薦 め て い た だ い た 低
温 セ ン ター竹 内助手 、極 限科 学研 究 セ ンター金道 助 教授 に感 謝 します。
「こ れ か ら も ガ ソガ ン面 白 い結 果 を 出 そ う と思 い ます 」.な ど と書 きな が ら 、 当 の本 人 は ア カ デ ミ ッ ク
な と こ ろ を 離 れ 、 企 業 に 就 職 して し まい ま した 。 こ こで 紹 介 し た 装 置 を 引 き継 ぐ同 僚 と、 極 低 温 と強 磁
場 を組 み 合 わ せ た 測 定 装 置 を 開 発 した 同 僚 の 鳴 海 さ ん に エ ー ル を送 り ます 。
用語説 明
s=1/2ハ
イ ゼ ソベ ル グ反強 磁性 鎖
ス ピンの大 き さが1/2(S=1/2)で
交換 相 互作 用 が等 方的 な(ハ イ ゼ ソベル グ)反 強磁 性的x:換 相 互
作 用 で磁 気 的 に結 合 した1次 元磁 性 体(反 強 磁性 鎖)の こ と。 理 想 的 な∫=1/2反 強 磁 性鎖 には磁 気 秩
序 は あ りませ ん。 それ は量 子揺 ら ぎに よって磁 気秩 序状 態 が基底 状態 にな らな いか らで す。 ス ピンの大
き さが小 さけれ ば小 さい ほ ど、量 子揺 らぎの効 果 は顕著 に な ります 。常 圧下 で のNH4CuC1,は 反 強磁 性
鎖 です が、反 強磁 性体 では あ りませ ん。
② 重 い軍子 系物 質
CeやU化 合 物 に 良 く見 られ る最 近 話題 の物 質群 。 比較 的局 在 してい るf電子 と伝 導 電子 が結 合 して、
電 子 が重 くな った よ うに見 え る物 質 の こ と。f電 子 と伝 導電 子 を結 合 させ る結 晶全体 に作 用 す る交換 相
互 作 用(RKKY相
互作 用)とf電 子 の局在 モー メ ソ トを伝 導電 子 の ス ピソが打 ち消 す 局所 的 な効 果(近
藤 効 果)に よ って、 そ の物 性 が 支配 され る。RKKY相
互作 用 と近 藤 効 果 の温 度 ・磁 場 ・圧 力 変 化 は複
雑 で 、 さ ま ざまな磁 気 相 が観測 され て い る。特 に近 藤 効果 の 強 さを表 す 近藤 温 度 がユ0∼100K:Y一 ダー
の物質 群 に対 す る 『強 磁場 ・高 圧』 の効 果 は大 き く、非 常 に興 味 が持 たれ てい る。
一5一