カゴ状化合物における強相関電子物性東中隆二首都大学東京大学院理工学研究科 Strongly Correlated Electronic Properties in the cage compounds Ryuji Higashinaka Department of Physics, Tokyo Metropolitan University これまでの強相関電子系の研究は 4f 電子またはホールを一つ含む Ce, Yb 系を中心に、磁気双極子自由度に起因した物性の研究が精力的に行われ、量子臨界点近傍で観測される超伝導も含め、その機構の理解がかなり進んできている。一方、複数の f 電子を持つ系は様々な自由度に起因した多彩な強相関電子物性を示すことが予想されているが、通常、希土類の 4f 準位が深いため強い c-f 混成効果を示さない。しかし、希土類元素を取り囲むカゴ状構造を持つ物質は、局在性の強い f 電子が伝導バンドを構成する元素に囲まれて c - f 混成効果が増強されるため、このような強相関電子物性の舞台として、注目を集めており、実際に特異な超伝導や多極子秩序などの多彩な相転移現象とカゴの中の原子の大振幅非調和振動といった興味深い現象が多く見出されている。その中で特に注目を集めているのが充填スクッテルダイト化合物 PrOs 4 Sb 12 において観測された重い電子超伝導であり、これは初めての Pr イオン(4f 2 電子配置)をベースとした重い電子超伝導体である[1]。この物質の低温物性は、わずかに分裂した１重項基底状態と３重項第一励起状態が支配しており、高磁場領域で磁場誘起の反強四極子秩序相を形成する。非弾性中性子散乱より、ゼロ磁場ではこの準位間の励起が四極子エキシトンとして振る舞っていることが示され、この励起に寄与している四極子自由度が超伝導機構に寄与している可能性が議論されている。最近、PrTr 2 X 20 (X = Zn, Al)が非磁性二重項基底状態を持ち、これまでの強相関電子系とは異なる近藤効果、超伝導、量子臨界現象を示すことが見出された[2](図１)。これらは PrOs 4 Sb 12 に続く珍しい Pr を含む重い電子超伝導体の可能性があり、注目を集めている。これらの物質の基底状態は非磁性で磁気双極子の自由度を持たないため、これまで考えられてきた磁性由来の重い電子状態とは異なる非磁性四極子自由度により強相関電子系を形成している可能性が示唆される。また、同じ結晶系の Sm 化合物においても強い c-f 混成効果に起因した複数 f 電子系での強相関電子系が観測されている[3,4]。これらの物質では磁場に鈍感な相転移及び、相転移温度以下での磁場に鈍感な重い電子状態が実現している(図２)。通常の重い電子状態は磁場印加により抑制されるが、それとは異なる振る舞いを示す。その一つの起源として、 Sm は価数揺動をしやすいため、価数揺動の自由度がこの物質で重要な役割を果たしていると考えられる。実際、磁化率の温度依存性が Sm 3+ でも Sm 2+ でも説明できない振る舞いを見せ、XAS 測定からは中間価数状態をとることが見出されており、価数自由度の量子臨界現象である可能性が議論されている。当日は、これらのカゴ状化合物における強相関電子物性について、我々の研究結果を中心に紹介する。 6 6 4 PrTr2 Al20 3 2 H=0T Ta Nb 1 0 0.1 5 2 2 C4f /T (J/K mol-Pr) Ti C/T (J/K mol-Sm) V 5 H=0T 8T SmTa2Al20 4 SmCr2Al20 0T 3 2 SmTi 2Al20 1 6T 0T 2 4 6 1 2 4 6 T (K) 10 2 4 6 100 0 0.1 1 10 T (K) 100 図１：PrTr 2 Al 20 の C 4f /T の温度依存性図２：SmTr 2 Al 20 の C/T の温度依存性参考文献 [1] Y. Aoki et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 7 6 (2007) 051006. [2] R. Higashinaka et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 8 0 (2011) SA048. 他 [3] R. Higashinaka et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 8 0 (2011) 093703. [4] A. Yamada, R. Higashinaka et al.: J. Phys. Soc. Jpn. 8 2 (2013) 123710.