電荷の不安定性による新規な量子相転移の発見

極限環境物性研究部門＊＊

松林 和幸 、上床 美也（ 現・電気通信大学）

研究の背景と経緯
電子系の自由度(電荷、スピン、軌道)に起因する多彩な相転移現象を理解することは物性物理における重要なテーマの一つですが、有限温度で起こる相転移が極低温へと抑制されたときには、熱揺らぎが抑えられることで量子揺らぎが顕在化し、室温付近とは異なる不思議な現象が観測されます。特に、絶対零度における相転移は量子相転移と呼ばれ、その近傍では量子揺らぎを反映した量子臨界現象とよばれる異常な金属状態や非従来型超伝導などの興味深い現象が観測されます。従来に報告されてきた実験および理論的研究の多くはスピン自由度に着目したものでしたが、近年、スピン揺らぎによる量子臨界現象の枠組みから逸脱した新しいタイプの量子臨界現象を示す物質が(特に f 電子系物質において)相次いで発見されました[1-3]。その起源をめぐってはいくつかの仮説が提唱されていましたが[4-7]、その中の一つである臨界価数揺らぎの理論では価数の 1 次相転移の終端点(臨界点)が低温まで抑制されたときに顕在化する臨界価数ゆらぎの重要性が指摘されていました。また、同理論では価数転移の量子臨界点は磁場によって制御されることが予言されていましたが、その実験的検証に成功した例はほとんどありませんでした。その理由として、精密な測定が可能な磁場範囲内において上記の振る舞いを観測するためには、高圧力などを用いて量子臨界点近傍に対象物質をチューニングする必要がありました
が、極低温、高圧力および高磁場という実験条件下での精密物性測定は大変困難なテーマでした。

実験結果
上床研究室では最近、非磁性のイッテルビウム化合物の圧力効果に着目した研究を行ってきました[8]。イッテルビウ
ムイオンの価数が 2 価(非磁性)と 3 価(磁性)の中間価数状態をとる非磁性化合物に高圧力を加えると、3 価状態へと近づくとともに磁気秩序が誘起されることができるため、磁気的な量子臨界現象が研究できる格好の舞台となります。本研究では、常圧では非磁性の YbNi3Ga9 について、圧力誘起反強磁性秩序が出現する圧力付近で、価数クロスオーバーと価数揺らぎの量子臨界現象が関係した磁化の急激な増大を観測することに成功し、スピン揺らぎの理論では理解できなかった非従来型の量子臨界現象において価数の不安定性が果たす重要性が明らかとなり、新しい量子臨界現象の起源を解明する上で重要な指針が得られました[9]。
まず研究の手始めとして、高圧下電気抵抗と磁化率測定によって約 9 GPa(9 万気圧)以上の高圧下の低温域では反強磁性秩序状態が誘起されることを見出しました(図１(a))。また、臨界圧力に近づくとともにイッテルビウムの価数が 3 価状態へと連続的に変化していくことを X 線吸収分光測定によって明らかにしました(図１(b))。これらの結果は、良質な試料と、独自に開発した圧力装置および大型放射光施設 SPring-8 BL39XUの高輝度 X 線と高精度計測技術を利用することで初めて実現しました。さらに、極低温、高圧、磁場を組合せた多重極限環境下における精密な物性測定から、圧力誘起磁気秩序が出現する圧力よりもわずかに低圧側の非磁性相(常磁性金属相)において、メタ磁性が発現することを発見しました。また、磁場依存性におけるヒステリシスの存
在と磁場中における磁化率の温度依存の発散的振る舞いから、発見された磁図１. (a) 電気抵抗率と交流磁化率(内挿図)の温度依存性 (b) Yb イオンの価数の温度依存性化の急激な増大は１次相転移であり、■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 3 号

13その相線は臨界点をもって終端することがわかりました(図 2)。また熱力学的な関係式の解析によって、メタ磁性の起源としてイッテルビウムの価数転移が生じている可能性を見出しました。この結果は、イッテルビウムの価数の揺らぎ、すなわち f 電子の電荷移動の揺らぎが発散する臨界点で、スピンの一様な揺らぎを表す磁化率も同時に発散するという、臨界価数揺らぎの理論が予言した新現象を直接観測したものと考えられます。これらの実験事実は、価数クロスオーバー領域において磁場を加えると価数の１次相転移が誘起されるという理論予測とも一致しており、磁気転移点近傍に潜む価数の不安定性の存在を示す重要な結果であると考えられます。

YbNi3Ga93.0

T max

2.8TN2.72.6100AFMT (K)

TFL12PM101014861Pc

0.20.4
m40.60H0.81.0(T)1.212Hm420.0

Yb valence state2.9108)
a6 GP(P2

図２. 温度、圧力、磁場を複合的に制御した多重極限環境下での実験から明らかとなった YbNi3Ga9 の相図。磁気秩序は 𝑃c (~9 万気圧)以上の高圧、𝑇N (~数ケルビン)以下低温領域において出現する。また、𝑃c よりもわずかに低圧側の非磁性相では𝐻m (~0.7 テスラ)において磁化の急激な増大(メタ磁性)が発現することを発見した。1 次相転移線(赤の中白の四角のデータを結んだ線)が昇温につれて臨界点(赤塗りの四角)で終端している。

今後の展開
本研究で見出された価数クロスオーバーおよび価数の不安定性に起因する１次のメタ磁性転移の発見は、非従来型の量子臨界現象を理解する上で、臨界価数揺らぎの効果が重要な鍵となっていることを強く示唆しています。また、１次相転移の臨界点が絶対零度近傍に抑制された際に、顕著な量子効果とあいまってどのような臨界現象を示すかはそれぞれの物質系の詳細によらない普遍的な問題であるため、さらなる研究の発展が期待されます。さらに、価数転移の量子臨界点近傍では超伝導相関が発達するという理論的予言もあり、非従来型の量子臨界現象の全貌の解明にむけて今後の活発な研究の展開が予想されます。

謝辞
研究成果は、物性研究所上床研究室に所属していた平山貴士氏、名古屋工業大学の山下哲朗博士、大原繁男教授、高輝度光科学研究センターの河村直己副主幹研究員、水牧仁一朗副主幹研究員、広島大学の石松直樹助教、九州工業大学の渡辺真仁准教授、高知大学の北川健太郎講師との共同研究によるものです。本研究の一部は、JSPS 科研費(課題番号24740220, 24540389)の助成を受けたものです。また、SPring-8 長期利用課題「Ｘ線分光法による臨界価数ゆらぎによる 新し い量子臨 界現 象の実験 的検 証」 ( 実 験責 任者：渡 辺真 仁 九州 工業 大学 准 教授 、課題番 号： 2012B0046,2013A0046)の一環として行われました。

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参考文献
[1] P. Gegenwart et al., Phys. Rev. Lett. 89, 056402 (2002).
[2] Y. Matsumoto et al., Science 331, 316 (2011).
[3] K. Deguchi et al., Nat. Mater. 11, 1013 (2012).
[4] Q. Si et al., Nature (London) 413, 804 (2001).
[5] P. Coleman et al., J. Phys. Condens. Matter 13, R723 (2001).
[6] T. Misawa et al., J. Phys. Soc. Jpn. 78, 084707 (2009).
[7] S. Watanabe et al., Phys. Rev. Lett. 105, 186403 (2010).
[8] Y. Saiga et al., J. Phys. Soc. Jpn. 77 053710 (2008).
[9] K. Matsubayashi et al., Phys. Rev. Lett. 114, 086401 (2015).

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