電流及びスピン密度汎関数法に基づく相対論的バンド理論の構築とf電子系への適用

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09640424
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 長谷川 彰 新潟大学, 理学部, 教授 (40004329)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 家富 洋 新潟大学, 理学部, 助教授 (20168090)
• Keywords: 相対論的バンド理論 / 一電子方程式 / 電流及びスピン密度汎関数法 / スピン軌道相互作用 / 軌道電流 / f電子系 / ウラン化合物 / フェルミ面

Research Abstract

本年度、大阪大学及び日本原子力研究所の実験グループと協力し、5f電子系の標準物質と考えられる常磁性炭化ウランUCの電子構造とフェルミ面の性質を解明した。フェルミ面は、炭素のpバンド内のホール面と、Uのfバンド内の電子面から成ることは以前から予想されていた。電子面の全貌を確認することが今回の主要な課題である。最近、両実験グループは試料育成及び測定技術の分野で格段の進歩をとげた。育成された試料の残留抵抗率は0.17μΩcm、残留抵抗比は230であり、過去国内外でつくられたどの試料よりも高い純度を保持している。測定装置の改善により、ド・ハース-ファン・アルフェン(dHvA)効果の測定は30mKの極低温及び17テスラの強磁場のもとで測定された。測定の結果、電子面に対して理論的に予測されたすべてのdHvA効果の周波数ブランチが観測された。さらに、その最大周波数ブランチに対し自由電子質量の15倍のサイクロトロン有効質量が<100>磁場方向で観測された。この結果はバンド質量の約4倍である。
これまで化合物に対するマフィンティン(MT)近似によるバンド計算では、MT球の半径の選び方に明確な指針はなかった。従来、交換・相関ポテンシャルは交換・相関エネルギーの密度関数による変分として決定されていたが、これをポテンシャル関数による変分とみなして定式化し直した。UとCのMT球の半径を全エネルギーを最小とするように決定し、さらに格子定数を変えて全エネルギーが最小となる値を求めた。この最適化ポテンシャルから導かれた電子及びホールのフェルミ面は実験結果よりもサイズが少し大きいが、この不一致は局所密度近似の計算に一般的に見られる傾向である。本研究の成果は、他の状態とあまり混成していない5fバンドがフェルミ面を形成していることを、理論及び実験の協力により確認できたという意味で重要である。

Research Products

• [Publications] E. Yamamoto: "De Haas-van Alphen Effect and Fermi Surfaces in UC"J. Phys. Soc. Jpn.. 68・12. 3953-3959 (1999)
• [Publications] T. Maehira: "The Electronic Structure and the Fermi Surface of LaRu2"Physica B. (発表予定). (2000)