π-d 系物質(EDT-TTFBr2)2FeBr4 の低温電子状態

π-d 系物質(EDT-TTFBr2)2FeBr4 の
低温電子状態
東工大院理工
西條純一，宮崎章，榎敏明
都立大理
渡邉良二，桑谷善之，伊与田正彦
Introduction
π-d 系物質(EDT-TTFBr2)2FeBr4
S
S
S
Br
S
S
S
Br
アニオンを引き付ける
強いπ-d 相互作用
EDT-TTFBr2
b
o
c
ドナー-アニオン間接触（Br-Br）
(3.66 Å, van der Waals: 3.9 Å)
ドナー-アニオン間接触（S-Br）
(3.69 Å, van der Waals: 3.8 Å)
b
o
a
長いアニオン間距離
4.01 Å
5.09 Å
Magnetic susceptibility
1.4
TN
H || a
H || b
H || c
χ /emu mol-1
0.10
0.08
0.06
1.2
0.04
H || a
H || b
H || c
0.8
0.6
0.4
H=1T
0.02
0.00
T=2K
1
M / µB
0.12
0
20
40
60
80
0.2
0
100
HSF
0
T/K
1
2
3 4
H/T
5
6
高い反強磁性転移温度 TN = 11 K
強いπ-d 相互作用
Resistivity
ρ (Ωcm)
10
30
TN
0
20
10-1
10-2
10
0
10
20
T (K)
30
0
40
∆ln(ρ/Ωcm) / ∆(1/T) (K)
101
低温では絶縁化
TN に異常
7
Magnetoresistance
H || easy-axis, I || stacking axis
0.05
0.00
GaBr4-
∆ R / R0
-0.05
-0.10
FeBr4-
-0.15
HSF
-0.20
T = 1.5 K
-0.25
0
5
H/T
10
15
負の磁気抵抗
スピンフロップ磁場で異常
研究の目的
・低温における電子状態の解明
・負の磁気抵抗の起源の解明
Experimental
・非磁性 GaBr4- 塩の EPR
・Tight-Binding 計算
EPR of the GaBr4- salt
Susceptibility
Line width
8
4
2
TMI
0
0
100
H||a-axis
H||b-axis
H||c-axis
200
T/K
∆Hpp / mT
χspin /10-4 emu mol-1
6
300
6
4
H||a axis
H||b axis
H||c axis
2
0
TMI
0
100
200
T/K
絶縁相：スピンが存在，より低温で反強磁性
・Mott 絶縁化？電荷秩序状態？
室温では均一１次元鎖
電荷秩序状態か
300
負の磁気抵抗の起源
d -電子系：主にπ -電子系だけと相互作用
しているとみなせる
絶縁相におけるπ -電子系の反強磁性の周期と
d -電子系の反強磁性の周期が一致
π
d
周期的磁気ポテンシャルが絶縁相を安定化
（抵抗の増加）
高磁場領域：周期的磁気ポテンシャルの消失
抵抗の減少（負の磁気抵抗）
モデルの検証
π-電子系のスピン配置
d-電子系のスピン配置
π-d 相互作用の大きさの見積もり
負の磁気抵抗の再現
π 電子系のスピン構造
バンド構造：擬 1 次元的．2 倍周期で絶縁化
X
M
EF
Q
Γ
X
4
8
3
a
M
+
+
2
1
+
Y Γ
予想される電荷・スピン
構造（倍周期を仮定）
：ドナー
7
6
+
Y
5
b
U, V を含めた Tight-Binding
計算もこれを支持
d 電子系のスピン構造
4
a
8
3
d3
2
d7
1
？
d4
？
d8
7
？
d2
？
d6
6
d1
5
π-d 相互作用
（S-Br 接触）
？：隣接ドナー層と
の相互作用で
向きが決まる
？
d5
b
1 次元鎖の磁気モデル
Jπd
Jππ × 2
Jπd
Jππ ： GaBr4- 塩の
磁化率より，およそ
Jππ = -290 K
分子場によるπ-d 相互作用の見積もり
1.4
H || a
H || b
Mean Field (hard)
Mean Field (easy)
1.2
M / µB
1
Fitting parameters
Jπd ~ -44.5 K
anisotropy ~ 0.9 K
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3 4
H/T
5
6
7
磁場中でのスピン構造
π
d
Hex < HSF
π
d
Hex > HSF
・d 電子の影響：π電子と平行な成分のみ
・磁化率と上記モデルから磁気ポテンシャル
が計算可能
Tight-Binding 計算
電子移動
on-site Coulomb
π-d 相互作用項
inter-site Coulomb
Zeeman 項
U : 1.0 eV
V : U/2 = 0.5 eV を仮定
tij : ij 間のトランスファー積分
nπiσ : i 番目のサイトのスピンσの電子密度
270×270 k-point で，自己無撞着になるよう
繰り返し計算
計算結果と実測値との比較
357
計算されたギャップ：
実験を定性的に再現
∆E / meV
356
355
354
定量的には
変化が大きすぎる
353
352
351
0
5
10
15
H/T
Fitting parameter の導入（∆E' = a × ∆E ）
0
実験をよく再現
∆R/R0
-0.1
負の磁気抵抗の起源
-0.2
-0.3
-0.4
0
exp.
calc.
a = 0.01
5
10
15
H/T
d スピンによる
絶縁相の安定化
Conclusion
π-d 系物質(EDT-TTFBr2)2FeBr4
ドナーがアニオンを引き付け強いπ-d が実現
絶縁相：電荷秩序状態が示唆される
Jπd ~ −44.5 K （磁化過程より見積もり）
負の磁気抵抗の起源
低磁場：d 電子のポテンシャルが絶縁相を
安定化（高抵抗）
高磁場：d 電子のポテンシャルが弱まる
抵抗増加分が消失→負の磁気抵抗
Tight-Binding 計算で定性的に再現
今後の課題 : 計算の定量性の問題
実験と計算で 2 桁ものずれ
∆E = ∆ln(ρ/Ωcm) / ∆(1/T) / K
∆E = ∆ln(ρ/Ωcm) / ∆(1/T) / K
TMI
80
FeBr4-
TN
60
0 kbar
40
3.8 kbar
5.8 kbar
7.4 kbar
20
0
10.1kbar
13.8 kbar
0
10
120 T
s
20
T/K
30
40
GaBr4-
TMI TMI (EPR)
0
100
4.3
80
6.7
60
8.1
40
11.0
20
0
13.4
0
50
100
T/K
150
100
100
10-1
ρ (Ωcm)
ρ (Ωcm)
10
TN
1
10-1
10-2
0
10-2
0
100
10-2
0
ρ (Ωcm)
ρ (Ωcm)
10-1
200
T (K)
300
0 kbar
4.3 kbar
6.7 kbar
8.1 kbar
13.4 kbar
100
10-1
10-2
0
FeBr4-
10 20 30 40 50
T (K)
101
101
100
0 kbar
3.8 kbar
5.8 kbar
7.4 kbar
10.1 kbar
13.8 kbar
10 20 30 40
T (K)
100
200
T (K)
300
GaBr4-
0.05
Ga 0 kbar
∆ R / R0
0.00
-0.05
13.8 kbar
10.1 kbar
-0.10
7.4 kbar
-0.15
5.8 kbar
3.8 kbar
HSF
-0.20
T = 1.5 K
-0.25
0
5
H/T
10
0 kbar
15
2.020
H||a-axis
H||b-axis
H||c-axis
g-value
2.015
GaBr4-
2.010
2.005
2.000
0
100
200
T/K
300

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