トポロジー理工学特別講義Ⅱ
2013. 11. 15

複合極限環境下における強相関f電子系の物理
北大理・強相関電子磁性Ⅰ研究室 助教
日高 宏之
網塚 教授

柳澤 准教授研究室のメンバー

研究室の自転車部（定山渓温泉にて）

トポロジー理工学特別講義Ⅱ
2013. 11. 15

複合極限環境下における強相関f電子系の物理
北大理・強相関電子磁性Ⅰ研究室 助教
日高 宏之<Contents>
1. 極限環境下の物性研究
2. 結晶中のf電子状態

1. 極限環境下の物性研究

物性を変える基本パラメータ
低温

圧力

磁場

( T ~ mK )( P ~ 200 GPa)

( H ~ 100 T )多重極限
技術的にどう組み合わせるか？
・超伝導・金属－絶縁体転移・オーダーパラメータの変化
・量子臨界現象（NFL)

?

自然界

人工低温

室温

冷蔵庫

水の融点
CO2の沸点ドライアイス
希釈冷凍機

超伝導臨界温度の最高到達点
N2の沸点(Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127)液体窒素冷凍機

4Heの沸点4Heの超流動転移

4He 冷凍機 (1.4 K)
3He 冷凍機 (300 mK)
3He/4He 希釈冷凍機 (10 mK)

液体ヘリウム

絶対零度

核断熱消磁

圧力(P)の定義、単位
物体の単位面積にかかる力
P (Pa) = F/S (N/m2)

力: F
単位断面積: S

１気圧 = 1013 ヘクトパスカル(hPa) = 105 Pa
シベリア高気圧： 1100 hPa
台風： 950 hPa
富士山山頂： 636 hPa

自然界
宇宙空間 （ほぼゼロ気圧）

オーロラ

オゾン層

人工圧力
ビーム加速器など専門施設(< 10-7 Pa)
真空ポンプ（研究室）

魔法瓶

真空パック

大気圧
ガスボンベ
海洋最深部
1万気圧

月の中心部

ピストンシリンダー

100万気圧地球の中心部 （360万気圧）

ダイヤモンドアンビルセル

太陽の中心部（1016 Pa）（数百万気圧）

ハイブリッド型ピストンシリンダー
Press

70mm

25mm

• 最大発生圧力： ~ 3 GPa• 試料空間 （ f 4.0mm×15 mm）• おそらく思いつくような基本測定はなんでも可能．

ダイヤモンドアンビルセル
360万気圧

最高発生圧力は200 万気圧以上!!
試料サイズは0.1 mm3以下
砂粒くらい

高圧下では氷も異常になる
灼熱の氷

室温

通常の氷

水に沈む氷

地上最強の生物：緩歩動物クマムシ
一旦休眠状態（乾燥）になってしまえば宇宙空間だって平気• 温度 (0 ~ 520 K)• 真空• 放射線 (ヒトの1000倍以上強い）
体長は1 mm 以下

F. Ono et al.

7.5 GPa かけたあとでも水をかければ復活！

超高圧による元素の金属化と超伝導水素の金属化：究極の目標
500万気圧？？

阪大極限・清水研HPより

酸素の金属化と超伝導
金属酸素

O2O2

O2

超伝導
気体酸素

Pressure
固体酸素 -> 金属酸素
（超伝導）

鉄の圧力誘起超伝導
超伝導は磁場が嫌い！のはずだが．．．

常磁性
強磁性

最も知られている磁石・鉄でも圧力をかけると超伝導になってしまう。

高圧・低温で誘起されるf電子系化合物の新奇物性
CeIn3
UGe2

PrFe4P12

MultipoleMetal

AFM
insulator

H.H. et al., PRB (2005).

反強磁性が消えたところ（量子臨界点）で超伝導強磁性と超伝導が共存
S.Saxena et al., Nature (2000).

金属から絶縁体へ(通常、絶縁体から金属へ）

低温・高圧によるf電子状態の変化が新奇物性発現の鍵！

2. 結晶中のf電子状態

周期表：3d主遷移元素、ランタノイド、アクチノイド

3d主遷移元素LA
ランタノイド（4f電子系）

アクチノイド（5f電子系）

3d と 4f電子軌道の空間的拡がり

In Crystal....

遍歴

局在Band Picture

Local Moment Pictureランタノイド元素の電子配置とイオンの多重項
フントの規則基底多重項のLとSを与える
1. 与えられた電子配置の中で許される最大のSを持つ2. そのSに対して許される中で最大のLを持つ

全軌道角運動量：L
全スピン角運動量：SLS結合（スピン軌道相互作用）J

全角運動量：
J=L+SLS伝導電子とf電子の混成効果：c-f混成効果
伝導電子 (k, s)

c-f混成効果 V
トンネル効果によりf 電子 → 伝導電子軌道へ
伝導電子 → f 軌道へ

c-f 混成効果

f 電子 (J=L+S)

c-f相互作用に起因した効果
Kondo 効果
（磁気モーメントの遮蔽効果）

RKKY 相互作用（伝導電子を媒介とした磁気相関：磁気モーメントの安定化）

Doniach’s Phase Diagram：Kondo vs. RKKY
特性温度

量子臨界点
（超伝導、NFL）

混成の強さ（圧力、組成変化）
Kondo 効果
（磁気モーメントの遮蔽効果）

RKKY 相互作用（磁気モーメントの安定化）

TK ∝ exp(-1/ Jcf Dc(εF))

J cf ~TRKKY ∝ Jcf2 Dc(εF)

Vcf

2F  Ef

局在と遍歴の中間にある5f 電子軌道

In Crystal....

5f電子の遍歴・局在二面性をどう考えるか？
（U3+ionの場合：5f3 電子配置）

Band Picture+Spin-Spin
Correlations

Local Moment Picture+Kondo effects(leading c-f hyb. bands)

Characteristic Energy Scales of d and f Orbitals

High TK and High TN (TC)High TK and Low TN (TC)

U化合物の局在・遍歴の二面性
Local Moment PictureBand Picture

UB2

URu2Si2 ?

UFeGa5

隠れた秩序（To = 17.5 K）

UPd3

UPtGa5
UGe2
UCoGe
URhGe

UPd2Al3
UNi2Al3

Duality Model:
5f2 localized + (5f1-c) itinerantby Miyake, Yotsuhashi

UIrUX(X:S, Se, Te)

Under-Screened Kondo/Anderson
Lattice Model by Coqblin

Duality Model: UPd2Al3 (AFM + SC)
Duality Model by Yotsuhashi and Miyake
U3+(5f 3)
TN = 14 K

5f 2 localized + (5f 1-c) itinerant

Magnetic susceptibility

dHvA

H // a-axis

H // c-axis

N. Sato et al., Physica B (1997).

meff ~ 3.5 mB/U
結晶場一重項基底状態？

local 5f2

Y. Inada et al., Physica B (1995).

5f遍歴のバンド計算と一致＋光電子分光スペクトル

Itinerant 5f1

Under-Screened Kondo Lattice Model:Ferromagnet UTe
Under-Screened Kondo Lattice Model by Coqblin
U4+(5f 2)
5f 2 ：S = 1(1/2+1/2)

5f 2 localized + Kondo Screening
c Electron：s = 1/2

TC = 102 K-log T

Kondo screening
S = 1/2
Magnetic Moment remained(5f 2 localized)

High TC and High TK
J. Schoenes et al., PRB (1984).