鉄系スピンラダーの物性研究
A study on the Fe-based ladder compounds（日本物理学会推薦）

代表研究者

東北大学

大串研也

Tohoku University

Kenya OHGUSHI

共同研究者

東京大学

平田靖透

University of TokyoYasuyuki HIRATA

We have investigated electronic properties of Fe-based ladder compounds, BaFe2S3, BaFe2Se3, andCsFe2Se3. These compounds show an insulating behavior due to the prominent strong correlation effect in thelow-dimensional structure. The variation of charge gap is well understood according to the chalcogen height from theladder plane and the electron filling of Fe 3d bands; the former controls the hybridization between Fe 3d and chalcogenp orbitals. The compounds undergo the antiferromagnetic transition into the stripe- and block-type magnetic structure atlow temperatures. The details of magnetic properties including the magnetic transition temperature, the magnetic
moment direction, and the magnetic moment size are determined by the delicate balance among relevant energy scalesof internal degrees of freedoms (bandwidth, Coulomb energy, electron-phonon coupling, and so on). Our study gives agood platform to pin down the role of electron correlation effect and elucidate the microscopic mechanism of hightemperature superconductivity in Fe-based chalcogenide and pnictides.

研究目的しているというシナリオである。

2008 年の鉄系高温超伝導体の発見以降、関連研究

ストライプ型反強磁性相の微視的起源は、超伝導が爆発的になされてきた。これまでに膨大な量のデ発現機構と直接関わっている。反強磁性相が遍歴描ータが蓄積され、超伝導発現機構の解明が進みつつ像で理解されるのであるならば、反強磁性揺らぎがある。多くの鉄系超伝導体ファミリーにおいて、超媒介となってクーパーペアが形成され、s+-波の超伝伝導相はストライプ型反強磁性相に隣接している。

導相が誘起されているという比較的単純な理解が可

従って、超伝導発現機構の解明のためには反強磁性能である。一方で、反強磁性相が軌道秩序に基づき相の電子論的理解が不可欠であるが、未だに万人の理解されるのであるならば、軌道揺らぎが媒介とな納得する理解が得られていない。ってクーパーペアが形成され、s++波の超伝導相が誘鉄系超伝導体の発見当初においては、フェルミ面起されている可能性も考慮する必要がある。さらに、のネスティングに起源を求める遍歴描像と、最近接反強磁性相が局在描像で理解されるのであるならば、と次近接のスピン間相互作用の拮抗に起源を求める電子相関効果が顕著であることを示唆しており、電局在描像の間で論争があった。前者は、鉄系超伝導荷揺らぎがクーパーペア形成に重要な役割を果たし体は金属であるという事実に支持されており、後者ている可能性がある。

は反強磁性モーメントが比較的大きいことに支持さこれまで発見された鉄系超伝導体は、全て Fe の正れている。こうした遍歴と局在の拮抗という古くか方格子を構成ユニットとして含んでいる。銅酸化物

らの問題に加えて、軌道の自由度の重要性も指摘さ高温超伝導体の研究において、1 次元鎖系・梯子系・れている。反強磁性相で観測される斜方晶歪は軌道多層系など多彩な格子を有する物質の電子物性を調秩序に対応しており、これがスピン間相互作用にもべ比較することで、包括的な知見が得られたことを異方性を生み出しストライプ型反強磁性相を安定化考慮に入れると、様々な格子トポロジーを有する鉄系化合物の物性に興味が持たれる。こうした観点かに着目すると、1. BaFe2S3 の方が BaFe2Se3 より電荷ら、本研究課題では、梯子型格子を有する鉄系化合ギャップが小さく、硫化物がセレン化物より絶縁体物 BaFe2S3, BaFe2Se3, CsFe2Se3 に着目した。梯子型格的であるという通常の配位子依存性とは異なること、子のような 1 次元構造では、バンド幅が狭くなり遍2. 混合原子価状態にある CsFe2Se3 は電荷秩序の兆歴性が抑制されることで強相関効果が顕在する。従候を示さないにも関わらず、BaFe2Se3 より大きな電って、梯子型鉄系化合物の物性を、正方格子を有す荷ギャップを有する、という二つの非自明な事実がる鉄系化合物の物性と比較することで、遍歴描像と明らかになった。こうした特徴は、より明瞭に光学局在描像のいずれかが適切であるかについて有用な伝導度の物質依存性に観察された。光学伝導度は、情報が得られることが期待される。

0-1.2 eV 以下のモット遷移と 1.2-3.0 eV の電荷移動遷移で特徴付けられるが、BaFe2S3 ではモット遷移に研究経過

温度低下に伴い重みが増すコヒーレント成分が存在

本研究では、物質合成と物性測定を相乗的に実施するが、BaFe2Se3 ではモット遷移は顕著な温度依存することで、梯子型鉄系化合物 BaFe2S3, BaFe2Se3,を示さず、また CsFe2Se3 においてはそもそもモット

CsFe2Se3 の物性を解明した。その具体的な研究内容

遷移の重みが小さく電荷移動遷移が最低エネルギーは下記の通りである。

励起となっている。

梯子型鉄系化合物の単結晶を、セルフフラックス

こうした電気的性質の物質依存性は、カルコゲン法を用いて育成した。出発原料は Ba, Fe, S, Se, CsSexの梯子面からの高さと Fe 3d バンドのキャリア数にであり、定比に混合した原料をカーボン坩堝に入れ、基づき、統一的に理解することができる。BaFe2S3

石 英 管中 で 1000 º C か ら徐 冷 する こ とで 、 最大と BaFe2Se3 では、Fe の 3d 軌道からなるバンドがフ5×3×1 mm3 の針状の形状を有する単結晶を得た。

ェルミ面付近にあるが、そのバンド幅はカルコゲン得られた単結晶を多結晶/単結晶 X 線回折により評の p 軌道との混成の度合いに依存している。BaFe2S3価した。

における S と比較して、BaFe2Se3 における Se はイオ

基礎物性測定装置を利用し、電気抵抗率を評価しン半径が大きいため、カルコゲンの梯子面からの位た。赤外領域から紫外領域の反射スペクトルを測定置が高くなる。これにより Fe の 3d 軌道とカルコゲし、Kramers-Kronig 変換を施すことで光学伝導度をンの p 軌道の混成が弱まり、結果的にバンド幅が小得た。また、共同研究者に光電子分光実験を依頼し、さくなり、より絶縁体的になる（電荷ギャップが大微視的視点から電子構造の解明に取り組んだ。

きくなる）。CsFe2Se3 は BaFe2Se3 へホールを注入した

SQUID・基礎物性測定装置を利用し、磁化率・比系と見做せるが、これにより元々存在した Fe の 3d熱を評価した。また、熱伝導率を測定し、スピンに電子が失われ、過剰なホールが Se の 4p 軌道に収容よる熱輸送について調べた。さらに、共同研究者にされることになる。この p ホールは Se サイトに強く

メスバウワー分光および中性子回折実験を依頼し、局在するため電気伝導への寄与が小さいとすれば、微視的観点から磁性の解明に取り組んだ。

CsFe2Se3 で最も大きな電荷ギャップが観測されたこ

元素置換と圧力印加の二つの手法を用いることで、とが理解される。上記の描像では暗黙のうちに、Fe

電荷ギャップと反強磁性秩序を崩壊させ、金属化・の 3d 電子に遍歴的な成分と局在的な成分が混在し超伝導化することを目指した。圧力下の物性研究は、ていることを仮定しているが、これは共同研究者に複数の研究グループとの共同研究により実施した。

よる光電子分光実験からも明らかになった。電子相
関効果が顕著な Fe の 3d 軌道の存在は、鉄系超伝導考察
始 め に 電 気 的 性 質 に つ い て 述 べ る 。 BaFe2S3,
BaFe2Se3, CsFe2Se3 のいずれの物質も、絶縁体的挙動体の理論研究で指摘されてきたことであり、そうした観点からは 1 次元と 2 次元の鉄系化合物は類似していると言える。

を示すことが分った。これは正方格子を有する鉄系

次に磁気的性質について述べる。BaFe2S3, BaFe2Se3,超伝導体が金属的であるのと対照的であり、低次元

CsFe2Se3 のいずれの物質も低温で磁気秩序を示すが、系において電子の運動が制約され電子相関効果が増磁気転移に伴う磁化率・比熱の異常は小さいことが大したためだと考えられる。より仔細に物質依存性判明した。これは、磁気転移温度以下で常磁性成分と反強磁性成分が共存することを示唆するメスバウ

スペクトルが、遍歴性の高い電子と局在性の高い電ワー分光の結果と調和的である。こうした通常の 2子が共存していることを示していることを考え合わ

次相転移と異なる挙動は、1 次元系における磁気秩せると、遍歴と局在の二面性が存在することこそが序が微量な不純物に敏感で、磁気転移がぼやけて観鉄系化合物の本質なのだと理解される。また、軌道測されることに起因していると理解される。

秩序や p ホールの重要性が本研究で明らかになった

磁気的性質は、多彩なバリエーションを示すことが、こうした概念は鉄系超伝導体でも議論がなされが分かった。磁気転移温度は、BaFe2S3, BaFe2Se3,ており、スピン・電荷・軌道の複合自由度が絡みあCsFe2Se3 で、それぞれ 110, 255, 175 K であり、これっていることも、鉄系化合物の本質なのだと理解さは後述する磁気モーメントの長さとおおよそスケーれる。以上のように、本研究により鉄系化合物の相ルする。BaFe2S3 と CsFe2Se3 の磁気構造はストライプ図に新たに次元性という軸を加え、鉄系化合物の電型である。ラング方向に強磁性的なスピン間相互作子状態を議論するより確固たる基盤を築くことがで用が働く起源に興味がもたれるが、BaFe2S3 では 200きたと結論できる。

K 付近の軌道整列と思われる転移が関与しているこ

末尾に、梯子型鉄系化合物を金属化・超伝導化しとが考えられ、CsFe2Se3 では Se サイトの p ホールがようとした試みについて触れる。元素置換効果とし強磁性的なスピン間相互作用を媒介している可能性て、Ba(Fe1-xCox)2Se3 の物性研究を進めたところ、磁が高いと思われる。一方で、BaFe2Se3 の磁気構造は気転移温度を抑制することに成功したが、残念ながブロック型である。ブロック型スピン構造の安定化ら金属状態の実現には至らなかった。しかしながら、に対しては、結晶構造が理想的な梯子格子から歪ん導入された Co がキャリアドーパントとしてのみなでいることが重要であることが、中性子回折実験にらず局在スピンとしても振る舞っていることを見出より判明した。磁気モーメントの長さは、BaFe2S3,すことに成功し、鉄系超伝導体における不純物効果

BaFe2Se3, CsFe2Se3 で、それぞれ 1.3, 2.8, 1.8 µB であり、の興味深い側面を解明することができた。また、これは Fe の高スピン状態で期待される値よりはるBaFe2S3 に対して高圧実験を遂行したところ、11GPaかに小さい。こうした磁気モーメントの収縮には、で金属化することを見出した。低次元無機化合物に低次元系における量子揺らぎやモット転移近傍におおけるバンド幅制御のモット転移系として新たな成ける遍歴性が関与していると考えられる。

果であると捉えている。圧力下で反強磁性秩序は抑BaFe2S3 と BaFe2Se3 における熱伝導率には、10 Kえられているのか、さらには量子臨界点近傍におい付近にピーク構造を有するフォノンの寄与に加えて、て超伝導は発現するのかに関しては、現在さらなる磁気転移温度付近にピーク構造を有するスピンの寄研究を進めているところである。

与があることを発見した。こうしたスピンの熱輸送は 1 次元系の特徴であることが量子スピン系の研究から知られており、梯子型鉄系化合物は低次元磁性研究の発表体であることを物語っている。ただし、熱伝導率の口頭発表

大きさは量子スピン系における値より小さく、バリ

1.

産業技術総合研究所、2014 年 8 月.

スティック伝導領域には属していないと考えられる。
以上の電気的および磁気的性質に基づき、梯子型

2.

大串 研也、鉄系超伝導研究の展開、依頼講演、名古屋大学、2014 年 9 月.

鉄系化合物と鉄系超伝導体を比較すると、類似点が浮かび上がってくる。最も重要なのは、ストライプ

大串 研也、鉄系超伝導研究の発展、依頼講演、

3.

大串 研也、梯子型鉄系化合物の電子物性、基研型・ブロック型という鉄系超伝導体の母物質で見出研究会「多自由度電子状態と電子相関が生み出されている磁気構造が、1 次元系でも実現しているす新奇超伝導の物理」、京都大学、2014 年 10 月.という点である。梯子型鉄系化合物は絶縁体である

4.

Kenya Ohgushi, Electronic properties of Fe-based

ことから、磁性は局在描像で理解できるという結論

ladder compounds, APS March meeting, Sanを導きたくなる。しかしながら実際にはそう単純でAntonio, 2015 年 3 月.

はなく、磁気モーメントの収縮には遍歴性が関わっている可能性が高い。反射スペクトルと光電子分光5.

大串 研也、梯子型鉄系化合物の研究、基研研究
会「実験と計算科学の協奏が拓く物質科学・物質開発のフロンティア、超伝導とトポロジカル

2.

Hiroki Takahashi, Akira Sugimoto, Yusuke Nambu,Touru

物質の新展開」、京都大学、2015 年 3 月.

Yamauchi,Yasuyuki

Hirata,Takateru

Kawakami, Maxim Avdeev, Kazuyuki Matsubayashi,
誌上発表

Fei Du, Chizuru Kawashima, Hideto Soeda, Satoshi

1.

Fei Du, Yasuyuki Hirata, Kazuyuki Matsubayashi,Nakano, Yoshiya Uwatoko, Yutaka Ueda, Taku J.

Yoshiya Uwatoko, Yutaka Ueda, and Kenya Ohgushi,Sato, and Kenya Ohgushi, submitted.

Phys. Rev. B 90, 085143 (2014). "Doping- and3.

Yasuyuki Hirata, Sachiko Maki, Jun-ichi Yamaura,pressure-induced change of electrical and magnetic

Touru Yamauchi, and Kenya Ohgushi, to beproperties in the Fe-based spin-ladder compound

submitted.

BaFe2Se3"