2-7 機能性材料の理論的・実験的研究●代表者

高橋博樹（物理学科・教授）●分担者

久保康則（物理学科・教授）
川上隆輝（物理学科・准教授）【研究の目的および概要】
機能性材料の開発および機能性評価に関して，物理学科の関係教員が結集し，お互いに情報交換を行いながら研究を進める。平成 25 年度の成果をふまえ以下の研究を進めた。
1.［新規超伝導材料の開発と機能性評価］ 鉄をベースとした新規超伝導材料に関連する新物質の物性を詳しく調べ，今後さらに高い Tc を持つ物質を得ることを目的とし，圧力技術を駆使した電気抵抗，帯磁率，X 線回折の手法を用い，超伝導特性の評価を行った。特に低温高圧力下での X 線回折実験により，結晶構造と超伝導の関係についての理解が進むことが期待される。
2.［カゴ状化合物の重い電子系の電子状態評価］最近注目が集まっている標記の化合物が示す重い電子系的振る舞いなどの特異な物性について，多中心近藤効果・多極子効果と重い電子の関係を第一原理計算により明らかにすることを目的とした。
3.［1 価の鉄を含んだ酸化物の新奇な物性の探索］2007 年にはじめて合成された平面四配位無限層構造をもつ鉄酸化物について，これまでに発見した新メカニズムによる高スピンー中間スピン転移等をもとに，1 価の鉄を含んだ珍しい平面四配位鉄酸化物の新奇な物性の探索を行う事を目的とした。平面四配位無限層構造をとる鉄酸化物
Eu0.3Sr0.7FeO2 の 100GPa 近傍まで圧力を印加した超高圧電気抵抗測定を行い，電気伝導性の振る舞いがどのように変化するかを調べ，Eu-Fe サイト間電荷移動の研究を行った。
【研究の結果】
1. 水素によりキャリアードープされた鉄系超伝導体 LaFeAsO1-xHx および SmFeAsO1-xHx について，高圧下にて電気抵抗，帯磁率，Ｘ線回折の測定を行い，超伝導特性について調べた。LaFeAsO1-xHx は H 濃度に対し，Tc のドームが 2 つ現れることが知られ，圧力下では，谷の部分の Tc が 52K まで上昇することが明らかになった。La をベースとする鉄系超伝導体では，最高の Tc である。また SmFeAsO1-xHx について，同様に高圧下での測定を行った。
SmFeAsO1-xHx は 1 つの Tc ドームを持ち，圧力下ではドームが抑えられて縮小することがわかった。
2. 最近注目が集まっているカゴ状化合物 YX4P12（X=Fe,Ru）が示す特異な物性（重い電子系的振る舞い，強結合超伝導，多極子秩序，近藤効果）について，多中心近藤効果・多極子効果と重い電子の関係を第一原理計算により明らかにする事を目的とし計算を行った。
3. Eu0.3Sr0.7FeO2 の約 100GPa までの電気抵抗の結果，同様の構造のとる SrFeO2 でみられた金属的な電気伝導はみられず，半導体的な振る舞いが約 100GPa 近傍まで続くことが明らかになった。これは，Eu-Fe サイト間電荷移動によって，FeO4 伝導面に電子がドープされ，その電子が低温で局在化し，新たな軌道に入ることにより，磁性が強磁性から反強磁性に転移し，これまで支配的だった二重交換相互作用が超交換相互作用に入れ替わり，反強磁性的な振る舞いが超高圧まで維持されるものと考えられる。
【研究の考察・反省】
1. LaFeAsO1-xHx および SmFeAsO1-xHx の圧力下の実験の比較から，これらの物質の性質に連続性のあることがわかった。LaFeAsO1-xHx の 2 つの Tc ドームは圧力下で足し合わされ，52K という高い Tc をもつ一つの Tc ドームになる。
これは，50K 以上の Tc を持つ SmFeAsO1-xHx に近い状態であると考えられ，さらに高い圧力では，SmFeAsO1-xHx と30

同様に Tc は抑制される。SmFeAsO1-xHx では 1 気圧ですでに 2 つの Tc ドームが足し合わさった状態であると考えられる。高圧下のＸ線回折実験からも，LaFeAsO1-xHx の Fe-As 4 面体の局所的な構造が高圧下で SmFeAsO1-xHx に近づいていくことを示すことができた。今後，これらの物質の各組成での高圧下の構造決定を行うことで，より詳細な解析を進める。
2. カゴ状化合物YX4P12（X=Fe,Ru）の超伝導転移温度の圧力効果がFe,Ruのd-電子とPのp-電子の混成の違いにより，LDA での強結合近似で説明できた。一方，重い電子系としての YbCo2Zn20 のフェルミ面は LDA の範囲では dHvAによる観測振動数を再現できない。Yb の 4f 電子相間効果 U を取り入れた形での検討が必要と思われる。鉄系超伝導の母物質である LaFeAsO の圧力効果を電子フェルミ面を構成する電子状態の電荷密度分布の吟味から，超伝導転移温度の圧力依存が Fe と As のコバレンシーに関係していることを指摘した。鉄系超伝導の様々な物質についてこの方向での検討により，超伝導のメカニズムについて吟味していきたい。
3. Eu0.3Sr0.7FeO2 が超高圧まで金属的な振る舞いが現れなかった理由を考察すると，Eu-Fe サイト間電荷移動によって，FeO4 伝導面に電子がドープされ，その電子が低温で局在化し，新たな軌道に入ることにより，磁性が強磁性から反強磁性に転移し，これまで支配的だった二重交換相互作用が超交換相互作用に入れ替わり，反強磁性的な振る舞いが超高圧まで維持されるものと考えられる。
【研究発表】（高橋）
国際会議（招待講演）2 件“High- pressure studies for iron-based spin-ladder compound BaFe2S3”, The International Conference on “Quantum inComplex Matter”（Superstripes 2014）, 2014/7/25-7/31, Erice,-Sicily（Italy）“High- pressure studies for iron-based ladder-type compound BaFe2S3”, The 7th Asian Conference on High Pressure Research（ACHPR-7）, 2015/1/16-1/18, Bangkok（Thailand）
日本物理学会2014 年秋季大会 9 月 7-10 日

中部大学「電子ドープされた REFeAsO（RE=Sm,Gd）に対する圧力効果」貫井無我，添田英人，高橋博樹，飯村壮史，松石聡，細野秀雄，神原陽一，的場正憲，櫻井信「梯子型鉄系化合物 BaFe2S3 に対する圧力効果」川島千弦，杉本旭，添田英人，高橋博樹，松林和幸，上床美也，平田靖透，大串研也「LaO1-xFxBiS2 における高圧下の超伝導と結晶構造」冨田崇弘，高橋博樹，藤久裕司，後藤義人，水口佳一，高野義彦
第 55 回高圧討論会，2014 年 11 月 22-24 日

徳島大学「梯子形鉄系化合物 BaFe2S3 に対する圧力効果」川島千弦，杉本旭，添田英人，高橋博樹，松林和幸，上床美也，中野智志，平田靖透，大串研也「電子ドープされた REFeAsO（RE=Sm,Gd）に対する圧力効果」貫井無我，添田英人，高橋博樹，飯村壮史，松石聡，細野秀雄，神原陽一，的場正憲，櫻井信
日本物理学会第 70 回年次大会 2014 年 3 月 21-24 日

早稲田大学「Ba1-xCsxFe2Se3（x=0.25,0.65）の高圧下電気抵抗測定」川島千弦，荒川凌，添田英人，高橋博樹，羽合孝文，平田靖
透，大串研也（久保）“Change of electronic structure on the hidden order transition in URu2Si2 studied by Compton scattering experiment”,

31The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems July 7-11（2014）Grenoble
日本物理学会2014 年秋季大会 9 月 7-10 日

中部大学春日井キャンパス「電子運動量密度分布から観た URu2Si2 の隠れた秩序転移に伴う電子状態の変化」
日本物理学会第 70 回年次大会 2014 年 3 月 21-24 日早稲田大学「コンプトン散乱で観る U（Ru0.97Rh0.03 ）Si2 の反強磁性相における電子構造：隠れた秩序相との比較」（川上）
日本物理学会2014 年秋季大会

Sr0.7Eu0.3FeO2 の高スピン - 中間スピン転移

山口淳太，川上隆輝，山本隆文，陰山洋，河村直己，水牧仁一朗 9aBC-7
第 55 回高圧討論会 Sr0.7Eu0.3FeO2 の圧力誘起の高スピン - 中間スピン転移

山口淳太，川上隆輝，山本隆文，河村直己，

水牧仁一朗，陰山洋 2P46
【研究成果物】（高橋）“Superconductivity at 52 K in hydrogen-substituted LaFeAsO1-xHx under high pressure” Scientific Reports 5, Article
number: 7829（2015）（久保）“Charge Density and Bonding Properties of LaFeAsO under Pressure”, Journal of the Physical Society of Japan, 83, 024716024724（2014）“Novel Electronic States of Heavy Fermion Compound YbCo2Zn20”, Journal of the Physical Society of Japan, 83, 044763044772（2014）“Heavy fermion superconductivity under pressure in the quadrupole system PrTi2Al20”, Journal of the Physical Society ofConference Proceedings, 3 011077-011080（2014）“Pressure Dependence of the Superconducting Transition Temperature of Filled Skutterudites LaT4P12（T = Fe, Ru）”,
Journal of the Physical Society of Japan, 83, 065003-065005（2014）（川上）
I. Yamada, H. Etani. M. Murakami, N. Hayashi, T. Kawakami, M. Mizumaki, S. Ueda, H. Abe, K. Liss, A. Studer, T. Ozaki, S.
Mori, R. Takahashi, and T. Irifune., Inorg. Chem. 53, 11794-11801（2014）.

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