Theoretical study of new quantum phenomena related to valence transition

• Project Area: J-Physics: Physics of conductive multipole systems
• Project/Area Number: 18H04326
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• 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): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 奇パリティ結晶場 / 電荷移動 / 電気多極子 / 磁気トロイダル双極子 / 電気双極子 / 量子臨界点 / 価数転移 / 臨界価数ゆらぎ / Yb系周期結晶 / Yb系準結晶 / 強相関電子系 / 準結晶Yb15Al34Au51 / 量子臨界現象 / CeCu2Si2 / 超伝導 / CeAu2Si2 / CePd2Si2 / 重い電子系 / Yb化合物

Outline of Annual Research Achievements

一般に物質は空間反転対称性をもち、そこでの結晶場は空間反転に対して偶パリティの性質をもっている。ところが、局所的に空間反転対称性を破る結晶構造をもつ物質も存在し、そこでは空間反転に対して奇パリティの性質をもつ結晶場が発生する。本研究では、奇パリティの結晶場において電荷が移動することにより生じる新しい現象の開拓を行った。注目した物質はb-YbAlB4で、この物質はYb系初の超伝導物質としてのみならず、常磁性相で非従来型の量子臨界現象を示す物質として注目されている。b-YbAlB4が示す量子臨界性は、Ybの臨界価数ゆらぎの理論により統一的に説明されることが示されている。価数ゆらぎはYbの4f電子とその周りの伝導電子の間での電荷移動のゆらぎであり、価数転移の臨界点で臨界発散する。本研究ではb-YbAlB4の強相関電子状態の性質を結晶構造の対称性を正確に考慮して解析した。

まず混成描像に基づいて結晶場の解析を行った。混成についての2次摂動計算により、Ybサイトで4f電子の波動関数が5d電子の波動関数と純虚数の係数を通じて混成し、Ybサイトで電気多極子と磁気トロイダル多極子の自由度が活性となることがわかった。次に、b-YbAlB4についてYbの4f軌道と5d軌道、Bの2p軌道からなる有効模型を構築して、基底状態の性質を調べた。その結果、価数量子臨界点を実現する4f-5d電子間斥力の大きさUfdを同定し、Ybの価数をYb+2.71と同定した。これはb-YbAlB4やa-YbAl1-xFexB4 (x=0.014)で観測されているYbの中間価数と整合している。興味深いことに、Ufdにより、Ybサイトで4f電子と5d電子の電荷移動のゆらぎの効果が増大し、価数転移の量子臨界点において、価数ゆらぎが発散すると同時に電気多極子ゆらぎと磁気トロイダル多極子ゆらぎも発散的に増大することがわかった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Geneva(スイス)
• [Int'l Joint Research] Institute of Natural Sciences/Westlake University(中国)
• [Int'l Joint Research] CEA-INAC/UJF-Grenoble(フランス)
• [Journal Article] Quantum Valence Criticality in Heavy Fermions on Periodic and Aperiodic Crystals (2020)
  • Author(s): Watanabe Shinji、Miyake Kazumasa
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011023
  • NAID: 120006822476
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theory for Non-Fermi Liquid Temperature Dependence in Resistivity of CexLa_1-xCu_5.62Au_0.38 (x = 0.02-0.10) on the Local Quantum Valence Criticality of Ce Impurities (2020)
  • Author(s): K. Miyake, S. Watanabe
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge Transfer Effect under Odd-Parity Crystalline Electric Field (2020)
  • Author(s): S. Watanabe, K. Miyake
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 29
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.014001
  • NAID: 120006822477
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-divergent Gruneisen Parameter in Quantum Critical Quasicrystal Yb_15Al_34Au_51: Reflection of Robustness of Quantum Criticality under Pressure (2020)
  • Author(s): S. Watanabe, K. Miyake
  • Journal Title: Solid State Commun. Volume: 306 Pages: 113774-113774
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2019.113774
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 量子臨界現象の新展開 （その１） スピンゆらぎのSCR理論 (2020)
  • Author(s): 渡辺真仁, 三宅和正
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 55 Pages: 55-68
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge Transfer Effect under Odd-Parity Crystalline Electric Field: Divergence of Magnetic Toroidal Fluctuation in \beta-YbAlB_4 (2019)
  • Author(s): S. Watanabe, K. Miyake
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 88 Issue: 3 Pages: 033701-033701
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.033701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gruneisen Parameter and Thermal Expansion near Magnetic Quantum Critical Points in Itinerant Electron Systems (2019)
  • Author(s): S. Watanabe, K. Miyake
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 99 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.035108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Dominant Role of Critical Valence Fluctuations on High Tc Superconductivity in Heavy Fermions (2018)
  • Author(s): G. W. Scheerer, Z. Ren, S. Watanabe, G. Lapertot, D. Aoki, D. Jaccard, K. Miyake
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 3 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41535-018-0111-6
  • NAID: 120006578934
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On anomalous temperature dependence of relaxation rate measured by \muSR in \alpha-YbAl_{0.986}Fe_{0.014}B_4 (2018)
  • Author(s): K. Miyake, S. Watanabe
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 98 Issue: 7
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.075125
  • Peer Reviewed
• [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
• [Presentation] 奇パリティ結晶場における電荷移動効果： b-YbAlB4における磁気トロイダルゆらぎの発散 (2019)
  • Author(s): 渡辺真仁
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Quantum Valence Criticality in Heavy Fermions on Periodic and Aperiodic Crystals (2019)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Charge Transfer Effect under Odd-Parity Crystalline Electric Field: Divergence of Magnetic Toroidal Fluctuation in β-YbAlB4 (2019)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: International Workshop on Multipole Physics and Related Phenomena (J-Physics 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-Divergent Gruneisen Parameter in Quantum-Valence-Critical Quasicrystal (2019)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: Interdisciplinary Symposium for Quasicrystals and Strongly Correlated Electron System (QSC2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gruneisen Parameter in Quantum Critical Metals on Periodic and Aperiodic Crystals (2018)
  • Author(s): Shinji Watanabe
  • Organizer: International Workshop on "Emergent Phenomena in Strongly Correlated Quantum Matter"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gruneisen Parameter in Quantum Critical Yb-Based Quasicrystal (2018)
  • Author(s): Shinji Watanabe
  • Organizer: The 18th International Conference on High Pressure in Semiconductor Physics (HPSP-18) & The Workshop on High pressure Study on Superconducting (WHS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子臨界準結晶Yb15Al34Au51の比熱、熱膨張係数とグリュナイゼンパラメータ (2018)
  • Author(s): 渡辺真仁
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 準結晶Yb15 (Al1-xGax)34 (Au1-yCuy)51のYb価数の格子定数依存性 (2018)
  • Author(s): 渡辺真仁
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Remarks] 研究内容の紹介
  • URL: https://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/topics.html
• [Remarks] 九州工業大学の研究者 渡辺真仁
  • URL: http://www.ccr.kyutech.ac.jp/professors/tobata/t5/t5-2/entry-1142.html
• [Remarks] 九州工業大学 基礎科学研究系 渡辺研究室
  • URL: https://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/index.html