周期系・準周期系重い電子系に普遍的な新しい量子臨界物性の解明

• Project Area: J-Physics: Physics of conductive multipole systems
• Project/Area Number: 16H01077
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 渡辺 真仁 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40334346)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: Yb系準結晶 / 量子臨界現象 / 結晶場 / 軌道間斥力 / 非フェルミ液体 / 準結晶 / 周期結晶 / 重い電子系 / 近似結晶 / 強相関電子系 / T/Bスケーリング / Yb系重い電子系

Outline of Annual Research Achievements

非従来型の量子臨界現象を示すYb系準結晶Yb15Al34Au51の電子状態を理論的に明らかにするため、これまで解析が行われていなかった、Ybサイトの(1)4f電子の結晶場の効果、(2)4f軌道と5d軌道のオンサイトのクーロン相互作用の効果について研究を推進した。
(1)Yb系準結晶Yb15Al34Au51の基本格子構造をなすTsai型クラスターにおける第３殻のYbの正20面体クラスターの頂点に位置するYbの周りの局所原子配置構造を忠実に考慮した結晶場の点電荷モデルを構築した。結晶場ハミルトニアン行列を対角化することにより結晶場エネルギーと固有状態を求めた。Al-Au-mixed siteの存在を考慮したもとでの数値計算により、Ybの周りの各電荷配置を分類し、それぞれの実現確率を求めた。これにより、Ybの4f電子の結晶場基底状態のエネルギーは、周りの電荷配置の違いによってそれぞれ異なる値をとることが示された。その結果、Ybの価数転移の量子臨界点が基底状態相図上で斑点状に多数出現する描像を支持することがわかった。
(2) Ybの4f-5d軌道間斥力を取り入れた、Yb系準結晶Yb15Al34Au51の電子状態を記述する有効模型を構築した。基底状態に対する数値計算により、Ybの価数転移の量子臨界点近傍のYb価数の格子定数依存性を計算し、最近の実験による測定結果を定性的に再現する結果を得た。量子臨界点から格子定数の増加につれてYb価数が急激に減少する振る舞いは、基底状態相図における量子臨界点の位置の混成依存性を反映していることを明らかにした。これにより、Yb価数の格子依存性の測定データにおいて、Yb系準結晶Yb15Al34Au51がYbの価数が急激に減少し始めるポイントに位置している実験事実は、この物質においてYb価数の量子臨界点が実現していることを示唆していることを理論的に指摘した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effects of crystalline electronic field and onsite interorbital interaction in Yb-based quasicrystal and approximant crystal (2018)
  • Author(s): S. Watanabe and K. Miyake
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 30 Issue: 18 Pages: 184001-184001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aab817
  • NAID: 120006604496
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gruneisen Parameter and Thermal Expansion by the Self-Consistent Renormalization Theory of Spin Fluctuations (2018)
  • Author(s): S. Watanabe, Miyake
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 87 Issue: 3 Pages: 034712-034712
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.034712
  • NAID: 40021491927
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coincidence of magnetic and valence quantum critical points in CeRhIn5 under pressure (2017)
  • Author(s): Z. Ren, G. W. Scheerer, D. Aoki, K. Miyake, S. Watanabe, D. Jaccard
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 96 Issue: 18 Pages: 184524-184524
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.184524
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ubiquity of Unconventional Phenomena Associated with Critical Valence Fluctuations in Heavy Fermion Metals (2017)
  • Author(s): K. Miyake and S. Watanabe
  • Journal Title: Philos. Mag. Volume: 97 Issue: 36 Pages: 3495-3516
  • DOI: 10.1080/14786435.2017.1314561
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] New Quantum Criticality Revealed under Pressure (2017)
  • Author(s): S. Watanabe and K. Miyake
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 56 Issue: 5S3 Pages: 05FA01-05FA01
  • DOI: 10.7567/jjap.56.05fa01
  • NAID: 210000147791
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Lifetime-Broadening-Suppressed X-ray Absorption Spectrum of β-YbAlB4 Deduced from Yb 3d→2p Resonant X-ray Emission Spectroscopy (2017)
  • Author(s): N. Kawamura, N. Kanai, H. Hayashi, Y. H. Matsuda, M. Mizumaki, K. Kuga, S. Nakatsuji and S. Watanabe
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 86 Issue: 1 Pages: 014711-014711
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.014711
  • NAID: 210000134233
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Origin of Quantum Criticality in Yb-Al-Au Approximant Crystal and Quasicrystal (2016)
  • Author(s): S. Watanabe and K. Miyake
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 85 Issue: 6 Pages: 063703-063703
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.063703
  • NAID: 120006407334
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Quantum Criticality Universal to Yb-Based Quasicrystal and Periodic Crystal (2017)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: International Workshop on Multipole Physics and Related Phenomena (J-Physics 2017), Hachimantai, Iwate
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Universality of Quantum Criticality in Yb-Based Heavy Fermions on Quasicrystal and Pressurized Approximant Crystal (2017)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: The 26th International Conference on High Pressure Science and Technology (AIRAPT26), Beijing, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Novel Superconductivity and Quantum Criticality Induced by Critical Valence Fluctuations (2017)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: The International Workshop on Recent Progress in Superconductivity (IWRS 2017), PyeongChang, Korea
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 遍歴電子系の磁気量子臨界点における熱膨張係数とグリュナイゼンパラメータ (2017)
  • Author(s): 渡辺真仁、三宅和正
  • Organizer: 日本物理学会 （岩手大学）
• [Presentation] Origin of Quantum Criticality in Yb-Al-Au Quasicrystal and Approximant Crystal (2017)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: International Workshop on "Open Space Between Aperiodic Order and Strong Electronic Correlations", Annecy, France
• [Presentation] Yb系準結晶と近似結晶の量子臨界性とT/Bスケーリングの出現機構 (2017)
  • Author(s): 渡辺真仁、三宅和正
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] Universality of Unconventional Quantum Criticality in Correlated Electrons on Periodic- and Quasi-crystal Systems (2016)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: 14th Bilateral Japanese -German Symposium "Effects of Parity Mixing in Correlated Electron Systems"
  • Place of Presentation: Sapporo, Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] New Quantum Criticality Revealed under Pressure (2016)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: The 17th International Conference on High Pressure in Semiconductor Physics (HPSP-17) and Workshop on High-pressure Study on Superconducting (WHS)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Unconventional Quantum Criticality Universal to Yb-Based Periodic- and Quasi-Crystal Systems (2016)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: International Workshop on Fermi-Surface Topology and Emergence of Novel Electronic States in Strongly Correlated Systems
  • Place of Presentation: Natal, Brazil
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 圧力と磁場制御による量子臨界物性の新展開 (2016)
  • Author(s): 渡辺真仁
  • Organizer: 第２回強相関電子系研究会
  • Place of Presentation: 島根大学
  • Invited
• [Remarks] 渡辺研究室
  • URL: http://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/
• [Remarks] 渡辺研究室
  • URL: http://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/index.html