世界最強クラスの磁場により強相関絶縁体の金属化を発見

1 附属国際超強磁場科学研究施設、2 岡山大学異分野基礎科学研究所

松田 康弘 1、村岡 祐治 2が本質的であるならば絶縁体としての性質は U が決定し研究背景
強相関電子系では量子現象を特徴づけるエネルギースており、磁場で金属化を起こすことはできないだろう。挑ケールが大きく、高温超伝導などの魅力的な現象が現れる。

戦的ではあるが、世界最強磁場を有する施設において取りその理解は固体物理学における最重要課題の一つであるが、組むべきテーマの一つであると思われた。

しばしば、強い相関が実験的研究の障壁となる。電子スピンの磁場による制御はその一例であり、基底状態の反強磁実験方法

性秩序やスピン一重項状態を磁場で抑制した際の電子状態測定試料として、W を V サイトに 6%、3.4%、0%ドーは、限られた例を除いて実験的にはほとんど明らかにされプして、ゼロ磁場での転移温度 TMI を約 100、200、300 Kていない。もっとも、理論的には単一バンドのハバードモにコントロールした TiO2 基板上の V1-xWxO2 薄膜をパルスデルにおいて磁気基底状態が反強磁性となることは良く理レーザー堆積法で準備した。非ドープ(0%)でも転移温度解されており、反強磁性状態のエネルギースケール J が、がバルク結晶より低いのは、薄膜にしたことによる格子ひクーロン反発エネルギーU と比べて十分小さい(J/U<<1)

ずみの影響である。

ことから、スピン制御が電子状態に与える影響はあまりな

VO2 は MI 転移において近赤外領域でスペクトルに顕著いと期待される。例えばこのモデルでは、モット転移にな変化があるため、今回、光学的手法によって磁場中でのよって絶縁体化した系のスピンを磁場で揃えたとしても、電子状態変化を調べた。具体的には波長 1.977 μm のレー絶縁体としての性質はそのまま保持される。

ザーを用いて、透過光強度の磁場依存性を測定した。

しかしまた一方で、軌道および格子の自由度とスピン自由度が結合した場合、絶縁性を決めるメカニズムは単純で磁場発生には、最近 1200 T 発生に成功した[3]新規電磁濃縮法装置を用いた。

はなくなる。強相関電子系では多くの物質で電子−格子、スピン−軌道、スピン−格子の結合が強く、反強磁性やスピン一重項基底状態を磁場で抑制した際に現れる強磁場相の性質は簡単には予想できない。VO2 は典型的な強相関物質

結果
図 1 に、V1-xWxO2(x = 0.06) の 14 K と 131 K における透過光強度の磁場依存性を示す[4]。の一つとして考えられており、TMI = 340 K で鋭い一次の金属絶縁体(MI)転移を示す。[1] 応用材料としても注目され精力的に研究が行われているが、発見から 60 年を経た現在も MI 転移機構については決着がついていない。転移においてバナジウム原子の 2 量体化が分子軌道形成によって起こることが知られており [2]、分子軌道を形成する 2つの d 電子がスピン一重項状態になる。我々は、スピンの向きを揃えることで分子軌道が不安定になり、2 量体の崩壊と金属化が強磁場中で起こる可能性があると考えた。
VO2 の電子状態に対する磁場効果はこれまでにほとんど報告がない。実験に必要な磁場は、そのスピンゼーマンエネルギーが TMI と同程度かそれ以上であると予想されるため、1000 T の磁場発生が可能な電磁濃縮法装置を用いれば研究が実行可能である。ただし一方で、モット転移機構■■■■ ■■■

図 1 V1-xWxO2 (x = 0.06)薄膜(膜厚 15 ナノメートル、TiO2 基板)のレーザー波長 1.977 μm での光透過強度の磁場依存性。挿入図
は、磁場による透過光強度変化分を磁場の関数でプロット。

物性研だより第 60 巻第 3 号

614 K では、透過光強度が 120 T 付近から減少をはじめ、ここで、Δα は磁場による光吸収係数の変化、αM、αI は高およそ 500 T で金属相の透過強度に到達する。このことか

温金属相、低温絶縁体相それぞれでの光吸収係数である。

ら、500 T において絶縁体から金属への転移が起こったと

x = 0.036 では金属化は B*~ 200 T 以上で起こり、x = 0 で考えられる。131 K は転移温度に近いためゼロ磁場での透は 540 T でも金属化の兆候は観測できなかった。TMI が高過光強度が低い。興味深いことに、14 K の場合と同様にいと金属化にはより強磁場が必要であることがわかる。

100 T までは磁場依存性はほぼ無く、金属化への変化はパルス磁場中では渦電流や磁気熱量効果によって試料温

100 T 付近からはじまる。挿入図には透過光の変化量をプ度が変化する可能性が高いが、本研究で用いた薄膜の厚みロットした。金属化がある閾磁場 B*ではじまり、B*はあは 13~19 nm であるため、基板への熱緩和時間は 1 K あた

まり温度に依存しない。

り 0.1ns 以下と見積もることができる。基板は厚み 0.5 mm

図 2 には、図 1 の結果をΔ𝛼としてx = 0.036 (TMI ~であり 104 倍の熱容量があるため十分な熱浴とみなせ、200 K)、x = 0 (TMI ~ 300 K)の実験結果と合わせてプロットした[4]。

マイクロ秒の磁場掃引時間において試料温度はほとんど一𝛼𝑀 −𝛼𝐼定であると期待できる。実験的にも、一巻きコイル法での予備実験で光透過強度変化によって発熱効果を評価したところ、温度上昇は観測されなかった。本研究で観測された
磁場誘起金属化は等温条件下での現象であるといえる。
今回観測された磁場誘起金属化は、スピンの向きを揃えることで 2 量体の分子軌道が磁場で壊れ、d 電子が遍歴的になったと考えることで説明できる。図 3 は磁場による 2量体の崩壊を説明した模式図である。
このことから、VO2 の低温での絶縁体化のメカニズムにおいて、電子相関効果よりもバナジウムの 2 量体形成による格子変形の効果がより本質的であることが示唆される。
ただし、スピンギャップに相当する分子軌道の結合−反結合軌道間のエネルギーギャップは 2.5 eV 程度あるため、単純な局所的ゼーマン効果では 500 T の磁場でも分子軌道のスピン一重項を壊すことは不可能である。電子相関効果

図 2 V1-xWxO2 ( x = 0, 0.036, 0.06)薄膜における、吸収係数 α の相対変化量の磁場依存性。αM、αI はそれぞれ、ゼロ磁場における高温金属状態と低温絶縁体状態の吸収係数。x = 0.036 では、実験時の磁場発生装置の放電スイッチ同期不良により、最高磁場が360 テスラまでに制限された。

が磁場効果の詳細を理解するためには重要になると考えている。

図 3 観測された磁場による金属化を説明する分子軌道崩壊の模式図。左図はポテンシャルエネルギーの変化の様子、中央の図はダイマーの分解を表す。右図は、ダイマーを形成する分子軌道が壊れる様子を示す。

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今後の展開分子軌道形成によって 2 量体をつくることが VO2 の絶縁体化において重要であるが、類似した金属絶縁体転移はいくつかの他の物質においても観測される。Ti4O7(2 量体)、
MgT2O4(2 量体)、AlV2O4(7 量体)、CuIr2S4(8 量体)、などがよく知られているが、磁場効果についてはほとんど研究例がないため、今後、電磁濃縮法を用いた 1000 T 級超強磁場を用いた研究テーマとして興味深い。
また、固体内の分子軌道形成の磁場による抑制は、原子や分子に対しての中性子星などにおける 106 T 以上の超強磁場効果[5]と類似する現象と捉えることもできる。今後、波動関数への磁場効果の観点から磁場誘起金属化現象が微視的に理解できるようになれば、宇宙物理との学際的研究へと発展することも期待できる。

謝辞
本研究は、物性研究所の中村大輔氏、池田暁彦氏、澤部博信氏、嶽山正二郎氏、および、岡山大学の壽賀友貴氏、中原隼人氏との共同研究です。ここに感謝します。

参考文献[1] F. J. Morin, Phys. Rev. Lett. 3, 34 (1959).
[2] Z. Hiroi, Prog. Solid State Chem. 43, 47 (2015).
[3] D. Nakamura, A. Ikeda, H. Sawabe, Y. H. Matsuda,
S. Takeyama, Rev. Sci. Instrum. 89, 095106 (2018).
[4] Y. H. Matsuda, D. Nakamura, A. Ikeda, S. Takeyama,
Y. Suga, H. Nakahara, Y. Muraoka, Nat Commun 11,3591 (2020).
[5] K. K. Lange, E. I. Tellgren, M. R. Hoffmann,T.
Helgaker, Science 337 , 327 (2012).

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