Tsai-type クラスター構造を持つ強相関電子系の磁気準結晶の研究
Investigation of Tsai-type magnetic quasicrystal in strongly correlated electron system
名古屋大学
派遣期間
研究機関
研究指導者

The purpose of this research is出口 和彦
2014 年 4 月 18 日～2015 年 3 月 14 日
INAC/SPSMS, CEA/Grenoble
17 Rue des Martyrs, 38054 Grenoble CEDEX 9, FRANCE
Head of SPSMS, Jean Pascal Brison and Prof. Dai Aoki

to search new physical phenomena in the magnetic quasicrystal of a strongly

correlated electron system with Tsai-type clusters. First, we report the emergence of bulk superconductivity inAu-Ge-Yb approximants (AGY(I) and AGY(II)) below 0.68 and 0.36 K, respectively. This is the first observation ofsuperconductivity in Tsai-type crystalline approximants of quasicrystals. We also present a structure model refined by
Rietveld analysis for X-ray diffraction data. The Tsai-type cluster center is occupied by Au and Ge ions in the former
approximant, and by an Yb ion in the latter. For magnetism, the latter system shows a larger magnetization than theformer. To explain this observation, we propose a model that the cluster-center Yb ion is magnetic.
Next, we report research of the quantum criticality of magnetic quasicrystal and approximant by thermodynamic
quantities and thermoelectric power. Since the Bloch state is not realized in the quasi-periodic system, it is expected
whether the difference from a crystal appears more notably by performing measurement of very low temperaturethermoelectric power in combination with magnetic susceptibility measurement. It catches up about the quantum
criticality and the heavy Fermion state of an Au-Al-Yb quasicrystal and approximant.

研究目的

り、どちらにも分類できない「第３の固体」となっ私たちは様々な機能性物質・構造素材として「結た。発見以来、準結晶の構造については研究が大き晶」または「アモルファス」という形の固体を利用く進展したが、特殊な原子配置の規則を持つ準結晶している。原子が規則正しく等差数列的に整列してではバンド理論も成り立たないため、電子状態に起いる結晶は携帯電話や太陽電池に使われている半導因する特有の物性、まして、電子間の斥力が重要に体のシリコン、宝石のダイヤモンドなどの絶縁体、なる強相関電子物性については謎のままである。強

金・銀・銅などの金属があります。逆にランダムに相関電子系における重い電子状態・長距離磁気秩原子が並んでいるアモルファスはガラスが身近なも序・超伝導・量子臨界現象などのトピックスについのである。結晶ではその性質をバンド理論で説明でても今まで観測されなかった。

きるものよりも、その枠を超えて電子間の斥力が重我々の研究グループでは、図１のような要になる強相関電子系が基礎・応用の両面から注目

Tsai-type のクラスター構造をもつ Au(金)-Al(アルミを集めてきた。

ニウム)-Yb(イッテルビウム)を組み合わせた準結晶

シェヒトマン博士（2011 年ノーベル化学賞）にを作成した。この準結晶が強相関電子系の性質を示

よって 1984 年に発見された「準結晶」は、図１に示し、様々な物理量が低温で発散し、温度を冷やせばすように原子配置が特殊な等比数列的な規則性（準冷やすほど絶対零度に向かって無限に大きくなる量周期性）をもち、結晶と似たような回折像が現れる

子臨界現象が「第３の固体」特有の性質と深く関係が、その回転対称性は結晶では許されないものであして安定に現れること(量子臨界物質)を発見した。

この現象は物質が量子臨界点という特異点に位置するときに現れる（図２）。量子臨界点は物理の様々な場面で現れ、宇宙物理のブラックホールから素粒子極低温物性測定により調べる。

物理の超ひも理論の実験の舞台としても興味を持た

この２つの目的について「試料作成・物質開発」れている。また、この特異点の近傍では超伝導や磁（Tsai-type のクラスター構造をもつ強相関電子系の性に関係した新しい物性が発見されており、新しい準結晶・近似結晶）と「極低温物性測定」の２つを機能性物質を生み出す可能性がある。近年、我々の柱とした研究を行うことにより達成することを目指分野では Yb を含む強相関物質の結晶で非従来型のした。最近発見した量子臨界物質（Au-Al-Yb 準結

量子臨界現象とそれに関連した磁性・超伝導につい晶）・重い電子系（Au-Al-Yb 近似結晶）の研究だけて精力的に研究が進められてきた。我々のグループでなく、その後に我々のグループで発見した強相関の準結晶における量子臨界物質の発見は、並進対称電子系の物理現象を示す物質の研究を土台として研性に関する原子配置の「規則」もパラメーターとし究を進めた。以下、それぞれの研究経過についてごた新物質開発・新現象探索のパラダイムシフトに繋紹介する。

がると考えて現在研究を進めている。
本研究の目的は「Tsai-type クラスター構造を持つ強相関電子系の磁気準結晶の新しい物性の探索」である。

研究経過（１） Tsai-type のクラスター構造をもつ新しい強相関電子系の準結晶・近似結晶の開発。

（１）今まで結晶系で研究してきた強相関電子系

Au-Al-R 系準結晶・近似結晶(R = 希土類)をアーの物理現象(長距離磁気秩序や超伝導)が準結晶や局ク炉を使用し単相の多結晶試料の作成を行った。こ

所的に準結晶と同じ構造を持つ近似結晶でどうなるの系では準結晶（準周期系）・近似結晶（周期系）ののか調べることを目的とする。
（準結晶・近似結晶で両方が作成可能であるため準周期系・周期系の比較

は強磁性以外の長距離磁気秩序や超伝導はまだ観測研究を行うこの研究で非常に重要な位置を占める。

されていない。）具体的には Tsai-type のクラスター

Yb は f 電子の遍歴系であり、Tm (ツリウム)は局在系構造をもつ強相関電子系の準結晶・近似結晶を作成であるためモデルケースとなりうる。結晶の重い電し、相図を調べる。

子系における f 電子の局在・遍歴状態と準結晶の特（２）準結晶（準周期系）における電子状態が未殊な原子配置の規則との関係を調べるため、局在 f解明であるため、電子状態の特異性が顕著に表れる電子を持つ Au-Al-Tm 系準結晶・近似結晶の研究をTsai-type のクラスター構造をもつ Au-Al-Yb 準結晶進めた。まず、電気抵抗・磁化率・比熱の温度依存のような強相関電子系準結晶の物性を、結晶系の研性を極低温まで測定し、Au-Al-Yb 系準結晶・近似結究で培った研究手法で調べることにより準結晶特有晶と比較すると、局在電子系の Au-Al-Tm 系準結晶・の物性を見出すことを目的とする。具体的には準結近似結晶では通常の磁性体でみられる振る舞いが観晶の特殊な原子配置の規則と関係した「局在」でも測されたのに対し、Au-Al-Yb 系準結晶・近似結晶で「遍歴」でもない準周期系特有の電子状態を様々なは非従来型の磁性が観測され、f 電子が局在・遍歴の係を調べる研究に発展させようと考えている。
次に RCd5.7~6.0 準結晶・近似結晶(R = 希土類)はｆ
電 子 の 局 在 系 で あ る た め 、 Cd ( カ ド ミ ウ ム ) をAxB1-x(A:遷移金属, B:典型金属)に置き換えた３元系の R(AxB1-x)5.7~6.0 準結晶・近似結晶を作成し(A:遷移金
属と B:典型金属は平均原子半径・平均価数が Cd に近い物を選ぶ)、ｆ電子の遍歴系を視野に入れた新物質開発を行った。Tsai-type のクラスター構造は図３のように希土類の２０面体を持つことが特徴であり、クラスター中心の原子群を変えられる自由度を持つ。
物質探索の結果、図４のように Au(金)-Ge(ゲルマニウム)-Yb(イッテルビウム)を組み合わせた Tsai-typeクラスター構造をもつ近似結晶を作成することにより 興 味 深 い 超 伝 導 を 発 見す る こ と に 成 功 し た 。
Au-Ge-Yb 近似結晶はクラスター構造の違いにより２タイプの超伝導体があることがわかった。図３に示すように、① 4 面体タイプ：非磁性の超伝導体
AGY(I)、② 希土類ラットリングタイプ：磁性と共存する超伝導体 AGY(II)である。２つの系の磁性の比較から、正２０面体を形成する Yb 原子は磁気モーメントを持たず、中心に位置する Yb 原子は磁性を持つと考えられる。AGY(I)と AGY(II)における超伝導転移温度の違いも局所構造の違いとそれに関係し た 磁 性 の 違 い に 起 因 する 可 能 性 が 高 い 。 特 にAGY(II)の磁性は Au-Al-Yb 近似結晶（重い電子系）と類似しており、量子臨界現象との関係が興味深い。
また、この結果は Tsai 型クラスター構造をもつ物質系が局所構造の違いで電子状態を制御できることを示唆するものであり、本研究の重要な結果と考えられる。
中間状態にある中間価数の Yb の価数ゆらぎが原因準結晶の超伝導については、Bergman 型クラスタであることを示唆する結果が得られた。Au-Al-Yb 系ー構造をもつ Al-Mg-Zn (TC = 0.4 K)と Al-Cu-Li (TC準結晶で観測された準結晶の量子臨界現象を理解す= 1.5 K)が知られているが報告は少ない。Au-Ge-Ybるための重要な手がかりとなると考えられる。また、近似結晶の超伝導の発見は、物質のバリエーション局在電子系における準結晶・近似結晶の磁気長距離が豊富は Tsai 型クラスター構造をもつ物質系で準結秩序の有無についても調べた。その結果、２０面体晶の超伝導を探索することにより、結晶と準結晶のの Tm を頂点とする正三角形に起因する幾何学的フ超伝導の性質の違いを比較できる可能性を見出した。

ラストレーションをもつ金属磁性体の Au-Al-Tm 準希土類を含む Tsai 型クラスター構造をもつ物質系は、結晶・近似結晶において興味深い磁気状態が観測す局所構造による物性制御が可能な点と、原子配置のることに成功した。この結果を論文にまとめ、Journal

規則性（周期性と準周期性）が物性に及ぼす効果をof the Physical Society of Japan に発表した（誌上発表

解明できる点において、他に類を見ないユニークな３，５）。準結晶ではフラストレーションが残り、近系である。この結果を構造解析と超伝導の発見に分似結晶ではフラストレーションが解消される可能性

けて論文にまとめ、Journal of the Physical Society ofがあり、磁気的な秩序・基底状態と並進対称性の関Japan に発表した（誌上発表１，２）。また JPSJ の注

目論文にも選ばれ、表彰された。
（２） 熱力学量・熱電能・熱伝導特性から磁気準結晶・近似結晶の量子臨界現象の研究

研究の発表
口頭発表
1.

準結晶ではブロッホ状態が成り立たないため伝導

K. Deguchi, S. Matsukawa, M. Nakayama, K.
Tanaka, T. Ishimasa, and N. K. Sato,“Pressure

測定に結晶との違いがより顕著に現れるのではないinducedかと予想されている。極低温の熱電能・熱伝導の測approximant

定を比熱測定と組み合わせて行うことによりInternational Conference on Strongly Correlated

Au-Al-Yb 準結晶・近似結晶の量子臨界現象・重い電Electron Systems (SCES2014) , Grenoble, France,子状態について追及し、価数揺らぎ（電子移動の揺July 7 – 11, 2014.

らぎ）に着目した研究を行った。量子臨界物質のし2.

quantum

criticalityof

Tsai-typecluster”,

with

Au-Al-Yb
The

K. Deguchi, M. Nakayama, S. Matsukawa, K. Imura,くみ（量子臨界点に位置する理由）の探求を目的と

N. K. Sato, K. Tanaka, and T. Ishimasa, “Stronglyした Au-Al-Yb の準周期系・周期系の比較研究のた

correlated

めに圧力下の極低温物性測定の実験も行った。

quasicrystals and approximants”, C-Mac Days

electronsinicosahedralYb2014, Zagreb, Croatia, December 8 – 11, 2014

結 晶 の 重 い 電 子 系 に お け る f 電 子 の 「 Local
Criticality」
・「Valence Criticality」が、準結晶では特殊(Invited).

な原子配置の規則と関係した「局在」でも「遍歴」
でもない準周期系特有の電子状態「Critical State」と誌上発表関係して発現していると考え、Au-Al-Yb 準結晶（量1.

K. Deguchi, M. Nakayama, S. Matsukawa, K. Imura,

子臨界物質）
・近似結晶（重い電子系）について f 電K.

子をプローブとして強相関準結晶の電子状態を調べ“Superconductivity of Au-Ge-Yb Approximants

た。極低温・磁場下の熱力学量（磁化・比熱・交流

with Tsai-type Clusters”, J. Phys. Soc. Jpn. 84,磁化率）の測定を行い温度/磁場スケーリングを調べ

023705-1-4 (2015). This paper was chosen asて、量子臨界指数を決定した。極低温・磁場下の熱"Paper of Editors' Choice".

電能・Hall 効果の測定を行い、電荷のキャリアとエ

2.

Tanaka,T.

Ishimasa,andN.

K.

Sato,

K. Deguchi, M. Nakayama, S. Matsukawa, K. Imura,

ントロピーのキャリアの関係を調べ、f 電子の遍歴性

K. Tanaka, T. Ishimasa, and N. K. Sato, “Crystalを決定した。また極低温における熱電能と比熱の解

Structure析から量子臨界ゆらぎの起源の決定を試みた。量子Au-Ge-Yb Approximant with Tsai-type Cluster”,

臨界物質のしくみ（量子臨界点に位置する理由）のJ. Phys. Soc. Jpn. 84, 015002-1-2 (2015).

探求を目的とした Au-Al-Yb の準周期系・周期系の3.

ofSuperconducting

1/1

Cubic

M. Nakayama, K. Tanaka, S. Matsukawa, K.

比較研究のために圧力下の極低温物性測定の実験もDeguchi, K. Imura, T. Ishimasa, and N. K. Sato,行った。この結果を論文にまとめる予定である。

“ LocalizedElectron

Icosahedral

Au-Al-Tmin

theQuasicrystalandCrystalline Approximant”, J. Phys. Soc. Jpn. 84,

おわりにフランス INAC/SPSMS, CEA/Grenoble に滞在中に実験し、まとめた研究の成果に関して述べて来た。

Magnetism

024721-1-6 (2015).
4.

S. Matsukawa, K. Tanaka, M. Nakayama, S.

滞在が終了し日本に帰国した後も、継続してKunikata, K. Deguchi, K. Imura, T. Ishimasa, and N.

INAC/SPSMS, CEA/Grenoble のグループと様々な議

K. Sato, “Transport Properties of the Au-Al-Yb

論を進めている。このような継続的な研究交流の機

Quasicrystal and Approximant under Hydrostatic

会を与えていただいた貴財団へ、ここに深謝の念をPressure”, Acta Phys. Pol. A 126, 527-530 (2014).

表したい。また、渡航に際して叱咤激励いただいた

5.

K. Tanaka, Y. Tanaka, T. Ishimasaa, M. Nakayama, S.

諸先生、および家族に対しても、感謝の念を禁じ得

Matsukawa, K. Deguchi, and N. K. Sato,“Tsai-Typeない。よりよい成果を挙げてせめても恩返しが出来

Quasicrystal and Its Approximant in Au-Al-Tm

ればと切に願いつつ、今後も精進していく所存であAlloys”, Acta Phys. Pol. A 126, 603-607 (2014).

る。