Kobe University Repository

Kobe University Repository : Thesis
学位論文題目
Title
異常な相転移を示すCeT[2]Al[10](T=Ru,Os)の電子状態
の研究
氏名
Author
迫田, 將仁
専攻分野
Degree
博士（理学）
学位授与の日付
Date of Degree
2014-03-25
資源タイプ
Resource Type
Thesis or Dissertation / 学位論文
報告番号
Report Number
甲第6119号
URL
http://www.lib.kobe-u.ac.jp/handle_kernel/D1006119
※当コンテンツは神戸大学の学術成果です。無断複製・不正使用等を禁じます。
著作権法で認められている範囲内で、適切にご利用ください。
Create Date: 2017-03-31
( 迫田将仁
NO.l )
希土類元素などを含む強相関 f電子系の化合物は、重い電子状態、異方的超伝導、近藤半
(別紙様式 3
)
導体、非フエ/レミ液体異常、メタ磁性転移、価数揺動、多極子秩序などの興味ある様々な
異常現象を示す。これらの現象は、希土類原子に局在する f
電子と結晶中を動き回る伝導電
論文内容の要旨
子との相互作用によるものと考えられているが、その機構については未だは解明されてい
ないものが多く存在する。それらの機構を理解するためには、純良試料を作製し、様々な
実験手段を用いて物性を研究する必要がある。
氏 名
迫田将仁
本研究では、希土類化合物 CeT
2
A
i
Jo(
T=Ru
，0
5
)の異常に高い磁鮒自転移に着目し、その
e
機構を探る目的で、これらの物質の純良単結晶を育成し、極低温・高磁場の環境下で d
専 攻
物理学
H
a
a
s
v
如 A
l
p
h
e
n(
d
H
v
A
)
効果と S
h
u
b
n
i
k
o
v
d
eH拙 (
S
d
H
)
効果を測定し、その電子状態を調べ
た。これらの研究を行うため、 dHvA効果・ S
dH効果測定装置の装置作製も行った。本研究
論文題目(外国語の場合は，その和訳を併記すること。)
により、特に C
e
R
u
2
A
l
I
Oと比較物質のLaR
u
2
A
i
Jo，La
05
2
A
i
Joについては高い精度でフェノレミ
異常な相転移を示す C
e
T
2
A
l
I
O(
T=Ru
，
0
5
)の電子状態の研究
面を決定し、サイクロトロン有効質量を調べてその性質を明らかにした。
CeT
2
A
i
Jo(
T=Ru，05)は、それぞれ T=27K
，28Kで反強磁性相転移を起こす。一般に、
Ce化合物の磁気相転移温度は数 K以下なので、これらの物質の磁気相転移温度は異常
.
34陶
，0
.
2
9
に高い。また、中性子数乱で観測された磁気秩序モーメントはそれぞれ拘 =0
陶であり、磁気秩序を示す多くの Ce化合物の持つ磁気秩序モーメント μ
。-1陶 に 比 べ
て小さい。これは RKKY相互作用により局在f
電子が磁気秩序を示す従来の理論に従う
ものと考えると矛盾する。一方、比熱測定から大きな電子比熱係数が見積もられ、強い
電子相関に基づく重い電子系化合物と考えられている。これらの未解明部分を含む
CeT
2
A
i
Jo(
T=R
，
u 05)の反強磁性相転移の機構を解明するために NMR
、NQR
、中性子散
乱
、 μSR
、超音波測定、光電子分光、赤外線分光などによる多くの実験結果が報告され
ているが、その相転移の機構は解明されていない。一方、 H
a
l
l係数の温度依存性などの
これまでの研究からは、磁気相転移前後でキャリア数が変化していることが報告されて
いる。そこで、磁気秩序下での電子状態に着目し、低温での電子状態を詳しく調べる研
指導教員
菅原仁教授
究を行った。
本研究では電子状態を明らかにする実験を行う準備として、 dHvA効果と S世 1効 果 測
定装置を製作した。変調磁場を用いて磁化率を検出する dHvA効果測定によって、金属
のフェルミ面とそのサイクロトロン有効質量を正確に決定することができる。変調電流
を用いた電気抵抗を検出する SdH効果測定では、キャリアの少ない小さなフェノレミ面
とそのサイクロトロン有効質量を決定できる。これらの観測のためにじ士、低温・高磁場
環境が必要である。そこで、 3
Heクライオスタットを製作し、超伝導マグネットに組み
込んだ。この装置により、 0
.4Kの低温、 17Tの高磁場の極限環境で実験を行うことが
できた。更に、試料回転機構により、低温を保ったまま試料を回転して結晶方位に対し
て磁場方向を変えることでフェルミ面の詳細を測定できるようにした。
dHvA効果および SdH効果を観測するためには、純良な単結晶を使って測定を行う必
( 迫回勝仁
NO.2 )
要がある。本研究の最大の特徴は、純良単結晶の作製から行っている点である。本研究
( 迫田将仁
較により、従来の理論で説明できない機構を持つ遍歴磁性の可能性を示した。このこと
2
A
h
o(R=L
a
， Ce
，T=R
，
uO
s
)の単結晶の作製を
ではアルミ自己フラックス法を用いて RT
は、量子臨界点近傍における
行った。当初、既に報告されている方法の通り、単結晶の作製を試みたが物質ができな
重要な結果である。
かった。そこで、フラックス法を行う以前に、あらかじめ母材元棄をアーク炉で溶かし
て混ぜた。この方法により、フラックス法を行う時の反応熱を抑えて、安定して単結晶
を作製することに成功した。その結果、大きさ数 mm程度の RT
2
Al
l
O(
R=L
a
， Ce
，
T=Ru
，
O
s
)の単結晶を得た。
得られた単結品試料を用いて、最初にLa
T2
Ah
o(
T=R
，
uO
s
)の dHvA効果測定を行った。
Laは
、
f電子を一つ含む Ceより原子番号が l小さく f電子を持たない。そのため、 Ce
化合物の f
電子と伝導電子の相互作用を調べる研究において、比較物質として非常に有
効である。LaR
u
2
Ah
oを大阪大学の装置を借りて、 L
a
O
s
2
A
h
oを神戸大学で自作した装置
を用いて dHvA効果を測定した。その結果、どちらの物質も典型的な金属と同程度の大
きさのフェルミ面を持ち、ネスティングの特徴がないことが明らかとなった。 CeT
2
A
h
o
O
s
)の持つf
電子が局在して伝導に寄与していないと仮定すると、 LaT
2
Ah
o(T=R
民
(T=Ru，
O
s
)フェ J
レミ函と一致すると考えられるため、 CeT
2
Ahoσ=R
，
uO
s
)の異常な相転移の起源
S
a
k
o
d
ae
ta
l
.
;
J
.P
h
y
s
.S
o
c
.
は、当初議論されていた CDWや SDWを否定する結果を得た [
J
p
n
.8
0(
2
0
1
1
)0
8
4
7
1
6
.
]
。
次に、 CeRu
2
Ah
oの dHvA効果測定を変調磁場法で試みたが、 dHvA効果を観測できな
かった。変調磁場法では、小さなフェルミ面を検出することが困難なため、観測できな
かったと考えられる。この実験事実は C
e
R
u
2
A
l
I
OがLaR
u
2
Ah
oのよラな大きなフエルミ面
dH効果測定を試み、 CeRu
2
Ah
oの持つ小さ
を持たないことを示唆する。そこで、次に S
なフェルミ面の観測に成功した。角度依存性から、いくつかの小さなフェルミ面の存在
S
a
k
o
d
ae
ta
l
.，J
.P
h
y
s
.S
o
c
.J
p
n
.a
c
c
e
p
t
e
d
.
]
oC
e
R
u
2
A
h
oのフェノレミ面は
を明らかにした [
LaRU
2
A
h
oのフェルミ面と異なることから、 I章子は遍歴している可能性を示した。
C
e
O
s
2
A
h
oについても 9T以下の磁場範箇で SdH効果測定を試みたが、信号を観測でき
なかった。 C
e
O
s
2
A
h
oは低温で半導体的振る舞いをするため、フェルミ面が存在しない
か更に小さい可能性を示唆する。
従来の磁気秩序理論である RKKY相互作用では、希土類化合物の磁気秩序は局在す
るf電子が磁気モーメントを担っている。しかし、本研究の実験結果は、それに反する
結論を示唆する。この実験事実をうまく説明できる理論が最近報告された [
S
.H
o
s
h
i
n
o
a
n
dY
.K
u
r
a
m
o
t
o，
P
h
y
s
.R
e
v
.Le
t
t
.1
1
1(
2
0
1
3
)0
2
6
4
01.]。量子臨界点近傍において遍歴電子が
磁気秩序を担うと考えることで、小さな磁気秩序モーメントや高い相転移温度、 f電子
の遍歴性を説明できる可能性がある。しかし、 CeRu
2
Ah
oに圧カを加えると 3-4GPaで
突然磁気秩序が消失するなど説明できない点も多く今後の課題である。
本研究により、主に CeRu
2
Ah
oの低温での電子状態を明らかにした。LaR
u
2
A
h
oとの比
NO
.
3 )
f電子の局在・遍歴と磁気秩序の関係を解明するうえで、
論文審査の結果の要旨
(別紙1)
氏名
氏名
迫田将仁
論文
題目
異常な相転移を示す C
e
九Al.
o(
T
=
R
u
.0
8
)の電子状態の研究
区分
査
審
員
委
氏
職名
名
菅原仁
主査
教授
高
J
I査
教授
播磨尚朝
副杢
教授
藤秀樹
i
¥
J
I査
教授
"
蔵重久弥
副査
要
旨
希土類克素を含む強相関電子系物質は、重い電子状態、異方的超伝導、近藤半導体、非フェルミ液体異
常、メタ磁性転移、価数揺動、多極子秩序などの興味ある様々な異常現象を示す。これらの現象は、希土
f
電子と結品中を遍歴する伝導電子の相互作用によるものと考えられているが、その機
類原子に局在する 4
構については未だ解明されていないものが多く存在する。それらの機構を理解するためには、純良試料を
用いた様々な実験手段から物性を明らかにする必要がある。
本研究で取り上げられた CeT
Aho(T=Ru
，0
5
)は高1
昆で近藤半導体的治性質を示し、約 2
7Kで異常な反
2
強磁性的相転移を示ことから注目されている。 S
町 dom と西岡らによりその異常物性が報告されて以来、
様々な実験的・，理論的研究が行われ 5
0件以上の報告がなされてきたが、今のところその相転移の機構解
明には至っていない。申請者はその機構を探る目的で、これらの物質の純良単結晶を育成し、極低温・高
eH
a
a
s
v
a
nA
l
p
h
e
n(dHvA)
効果と S
h
u
b
n
i
k
o
v
・
deH
酪 s
(
S
d
H
)
効果測定を行いその電子状態を調べた。
滋場下で d
また、それらの研究を行うために dHvA効果・ SdH効果測定装置の開発も行った。本研究により、特に
CeR
2Ahoと比較物質の LaRu
2
A
I1
a
O
s
2
A
l
I
Oについては高い精度でフェルミ函を決定し、サイクロトロン
u
O
、 L
有効質量を明らかにした。
u
d
e
r
m
a
n
K
i
t
t
e
l
K
a
s
u
y
a
-Y
0
5
i
d
a
第 1章では強相関電子系研究の背景と、 q電子と伝導電子が織りなす R
(RKKY)
相互作用、近藤効果、およびそれらの相互作用が競合し高濃度近藤効果および重い電子系が形成
される機構が述べられている。また、これまで知られている一般的な Ce系化合物の性質(メタ磁性、価
数揺動、近藤半導体など)についても述べられている。その上で、本研究で取り上げた CeT
2
A
h
o
(
T=Ru，0
5
)
の既知の物性について述べ、その異常さが浮き彫りにされている。磁性金属で見られる様々な磁気秩序の
機構は、磁性イオンが持つ局在磁気モーメント聞に、伝導電子のスピン分極を介して間後的に相互作用が
はたらくとする RKKYの理論で理解されてきた。この機構にもとづけば、磁気転移温度は局在スピンの大
eG
e
n
n
e
5因子
きさ、つまり、希土類金属の場合、希土類イオンが持つ全角運動量 J を用いて表される d
(
[
5
J
l
)
2
)の大きさに比例する。従って、 J=7/2の Gd化合物が数 1
0
0K で磁気秩序を示すとすれば、同
J(J+1
系の J=5/2の Ce化合物の磁気秩序温度は数 K となる。事実、多くの Ce化合物の磁気秩序温度は IOK以
下のものがほとんどである。本研究で主に取り上げる C
e
R
u
2
A
l
I
Oと悶じ結晶構造をもっ GdRu
2
A
l
I
Oは転移
温度が 1
7K の反強磁性体であると報告されている。このことから C
e
R
U
2
A
l
I
Oの転移温度は単純に RKKY
相互作用によるものとは考え難く異常に高いことがわかる。また、中性子散乱実験から反強磁性秩序であ
ることが明らかにされているが、観測された磁気モーメントの大きさは 0.
34陶であり、磁気秩序を示す
多くの Ce化合物の磁気モーメントの大きさと比べ極めて小さい。このことからも RKKY相互作用による
磁気秩序と考えると高い転移温度は矛盾する。一方、比熱測定から大きな電子比熱係数が見積もられ、強
い電子相関にもとづく重い電子系化合物とであると報告されている。この異常な磁気栢転移の機構を解明
するために NMR
、NQR
、μSR
、超音波測定、光電子分光、赤外線分光などによる多くの実験なされてき
たがまだその相転移の機構は明らかでない。
CeT2Aho(T=Ru
，
0
5
)の異常な相転移の機構を解明するためには、その基本物性である電子状態を明らか
f電子が局在し;磁気モーメントを持っかどうかは、 4
f電子を持
にすることが重要である。例えば、 Ceの 4
たない比較物質の La化合物のフェルミ面と比較することにより推測できる。つまり Ceのザ電子が局在
A
llOの相
し伝導に寄与していない場合は、 La化合物のフェルミ面とほぼ類似した形状になる。また、 CeT
2
C
h
釘g
eD
e
n
s
i
t
yWave: CDW)
転移やスピン密度波 (
S
p
i
nD
e
n
5
i
t
y
転移機構として議論された、電荷密度波 (
Wave:SDW)転移にはフェルミ面のネスティングが条件となるため、直接実験的にフェルミ面を観測しネ
a
l
l係数の
スティングの有無を確認することは重要である。これまでの電子状態についての研究として、 H
2
A
I1Oでは磁気相転移温度以下でキャリア数が約 1
1
6
0に減少していることが
温度依存性が測定され、 CeRU
￨
迫田将仁
明らかにされている。またパルス強磁場を用いた S
dH効果測定から SdH振動数が約 l
xlO'Tの小さなフェル
ミ面が観測されている。しかしながら、測定温度が1.3K と高いことと、測定磁場方向が結晶軸の c軸方向
のみの測定であるため、フェノレミ面の研究としては不十分であった。そこで申誇者はこれらの低温での電子
状態の研究に着目し、この異常な相転移と電子状態の関係を明らかにすることを本研究の目的とした。以上
e
T
2
A
ll
O
(
T=Ru
，0
5
)の既知の物性の紹介をふまえて、
のように第 1章では研究の背景、本研究の対象物質の C
本研究の目的が明確に述べられている.
第 2章では主に実験原理と方法について述べられている。いかなる物性研究においても、不純物効果のな
い純良試料での研究が本質的に重要である。特に制vA効果や SdH効果などの量子振動効果は、不純物散乱
がほとんどない超純良試料でないと観測できない。逆に dHvA効果や SdH効果が観測される試料は純良試料
の証明でもあり、そのような試料での物性測定は現在では最も信頼できる結果を与えるものと考えられてい
る。本研究ではこれまで行われてきたフラックス法に様々な改良を加え、最適な単結晶育成条件を見つける
ことにより、 dHvA効果・ SdH効果が観測可能な純良単結晶の作製が可能になった。具枠的な単結晶作製方
法については第 3章で述べられている。これまでの報告では原料を直接反応させて単結晶育成がなされてい
たが、この方法では反応熱により容器のアル三ナるつぼや石英聞とも反応することがわかったため、あらか
じめアーク炉を用いて予備反応させてからフラックス法を行うことにした。また、原料の配合比はこれまで
C
e
:
R
u
:
A
I
=
I
:
2
:
I
O
Oのモル比で行われていたが、試行錯誤の結果 C
e
:
R
u
:
A
I
=
1:
2
:
6
0が最適なモル比であることが
わかり、その後、安定して大型純良単結晶育成が出来るようになった。これらの単結晶育成は、申請者が学
会や国際会議で入手した情報をもとに、自らのアイデアを融合させ行ったものであり、高く評価される。本
研究において単結晶試料作製と同様に時聞を費やしたのが、 dHvA効果・ SdH効果を測定するための装置開
発である。第 2章ではこれらの測定方法の基本的な原理に加え装置開発についても述べられている。申請者
が所属する研究室は 4年前に赴任した華If
f
壬教員の研究室のため、実験装置の作製を最初から行うことになっ
7T超伝導マグネット用にトップローディング型のへリウム 3クライオスタットを作製し、 dHvA効果た
。 1
SdH効果測定を可能にした。基本的な測定システムの制御プログラムは共同研究を行った大阪大学のものを
利用したが、新期導入したの超伝導マグネット用電源を制御するプログラムは申請者が開発し測定プログラ
ムに組み込んでいる。この他に無冷媒式 9T超伝導マグネット用にも SdH効果測定システムを構築し、また、
I
T常伝導マグネット用にホール効果測定システムも開発している。
第 3章では実験結果とその議論が行われている。まず、上述の試行錯誤により単結晶育成に取り組み、
RT
A
l
I
Oの R=L
，
a Ce
，P
r
、T=Fe
，Ru，
Osの 9種類の大型単結晶育成に成功している。本研究では異常な相転移
2
，P
rの単結晶も育成し、電気抵抗、磁化、
を示す Ce系の研究が主目的であるが、その比較物質である R=La
ホール効果などの基本物性も測定している。具体的には P
r系の磁化率の異方性を測定し、その結晶場解析
3
から P
r+イオンが非磁性基底状態を示すことを明らかにしている。また、 Laは 4
f電子を持たないため、 Ce
系の 4
f
亀子状態を議論するための重要な比絞物質である。得られた単結晶試料を用いて、最初に L灯 '
2
A
1
l
o(
T
s
)の dHvA効果測定を行った。 L
a
R
u
2
A
l
I
Oを大阪大学との共同研究で、 L
a
O
s
2
A
l
I
Oを神戸大学で自作し
=Ru，O
た装置を用いて dHvA効果を測定した。その結果、どちらの物質もバンド計算から得られるフェルミ面と一
A
l
I
O(
T=Ru
，
0
5
)の持つ 4
f
電子が局在して伝導
致し、ネスティングの特徴がないことが明らかとなった。 CeT
2
に寄与していないと仮定すると、 LaT
A
l1o(
T=Ru，0
5
)のフェルミ面と一致すると考えられるため、 CeT
A
l
I
O
2
2
5
)の異常な棺転移の起源』士、当初議論されていた CDWや SDWを否定する結果を得た。次に、
(
T= Ru、0
C
e
R
u
2
A
I叩の dHvA効果測定を変調磁場法で試みたが、 dHvA効果を観測できなかった。変調磁場法では小さ
なフエノレミ面を検出することが困難なため観測できなかったと考えられる。この実験事実は C
e
R
u
2
A
l
I
Oが
L
a
R
u
2
A
l
I
Oのような大きなフェルミ面を持たないことを示唆する。そこで、次に SdH効果測定を試みたとこ
ろC
eRu2Al1Oの持つ小さなフェルミ面の観測に成功し、さらに角度依存性からいくつかの小さなフェルミ面