コバルト酸化物におけるスピン軌道量子臨界点のマルチプローブ研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03503
• Research Institution: Nissan ARC Ltd. (Material Analysis Department, Device Functional Analysis Department)
• Principal Investigator: 富安 啓輔 株式会社日産アーク(マテリアル解析部、デバイス機能解析部), マテリアル解析部、デバイス機能解析部, 主任研究員 (20350481)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡崎 竜二 東京理科大学, 理工学部物理学科, 准教授 (50599602) ; 小林 義彦 東京医科大学, 医学部, 講師 (60293122) ; 齋藤 智彦 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 教授 (30311129)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: コバルト酸化物 / スピンクロスオーバー / 光電子分光 / 電気抵抗率 / ゼーベック係数 / SDP磁気構造解析法

Outline of Annual Research Achievements

層状コバルト酸化物 [Ca2CoO3]0.62CoO2 について、ゼーベック係数の面内異方性の温度依存性の測定を進め、輸送現象の微視的なメカニズムについて検討することができた。
LaCoO3の類型化合物PrCoO3について、6つの異なる結晶軸方向で測定したコンプトンX線散乱プロファイル [J_z (p_z)] を解析し、2次元電子運動量密度を再構成した。これは、LaCoO3において同様に再構成した密度と明らかに異なるため、Co-3dではなくPr-4f軌道の変化と考えられる。
LaCoO3とPrCoO3の価電子帯硬X線光電子分光（HAXPES）スペクトルの低温（20 K付近から室温まで）を詳細に比較した。その結果、LaCoO3では価電子帯トップのCo 3dピークの強度と位置の両方に温度変化が見られるが、PrCoO3では強度変化は僅かで、位置変化はある程度あることが分かった。またCo 2p内殻スペクトルも小さなピークシフトおよびピーク強度の変化があり、この変化はLaCoO3と同一傾向であった。価電子帯のピーク強度変化を磁化率の温度スケールと比較するとほぼ一致し、強度変化が磁性を反映していることが明らかとなった。一方、位置の変化はチャージアップの効果でないことは確認してあり、原因の追求が今後必要である。
磁性体や電子系分野全体の基盤技術として、2018年に発表したSDP磁気構造解析法（大域的最適化の数学技術を取り入れた）の発展に取り組んだ。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

層状のコバルト酸化物[Ca2CoO3]0.62CoO2について、ゼーベック係数の面内異方性を幅広い温度領域において測定することができた。
PrCoO3では、Pr-4f電子状態の温度変化のコンプトン散乱による観測・解析が進んだ。
また、LaCoO3との詳細比較により、これまで低温から室温まで変化がないと考えられてきたPrCoO3の電子構造も、磁化率を反映した温度変化を示すことが明らかとなった。
SPD磁気構造解析について、より複雑な対称性を取り込む手順やその他の状況を拘束条件として取り入れる手順を整備できた。

以上、概ね順調に進展している考えられる。

Strategy for Future Research Activity

層状のコバルト酸化物 [Ca2CoO3]0.62CoO2の等価数置換系の作成を進め、その物性評価を進めていく。とくに、本物質群は大きなゼーベック係数を示すことが特徴であるため、その温度依存性などを詳細に測定する。
PrCoO3において、Pr-4f波動関数の同定を行う。また、室温～500 K以上でのコンプトン散乱実験を追加し、LaCoO3と同様な500 K付近でのスピン状態転移にともなうCo-3d軌道変化が観測できるか、検証を行う。
硬X線光電子分光において、NdCoO3を比較対象として測定し、磁性と電子構造の温度変化の関連性の検証を行う。軟X線角度分解光電子分光について、バンド分散の再現性および温度変化についての測定を行う。
磁気構造解析法について、実測とシミュレーションのバリエーションを加える。コバルト系に適用できるレベルに手法の堅牢性を高めることを目指す。

Causes of Carryover

代表者の富安と分担者の小林が次年度分と合算して放射光実験の各種費用に充てるため

Research Products

• [Journal Article] Electrical resistivity and thermopower of hole-doped delafossite CuCoO2 polycrystals (2021)
  • Author(s): K. Kurita, M. Yagisawa, and R. Okazaki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Pages: 13001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abd448
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crossover from itinerant to localized states in the thermoelectric oxide [Ca2CoO3]0.62[CoO2] (2021)
  • Author(s): H. Sakabayashi and R. Okazaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Pages: 125119
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.125119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct evidence of Co-3d orbital change associated with spin crossover in LaCoO3 obtained by X-ray Compton scattering (2020)
  • Author(s): Y. Kobayashi
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Frontiers_ Volume: 2019 Pages: 38
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Saturation and self-absorption effects in the angle-dependent 2p3d resonant inelastic X-ray scattering spectra of Co^3+ (2020)
  • Author(s): Ru-Pan Wang and Hebatalla Elnaggar and Charles J. Titus and Keisuke Tomiyasu and Jaap Geessinck and Gertjan Koster and Federica Frati and Jun Okamoto and Di-Jing Huang and Frank M. F. de Groot
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 27 Pages: 979
  • DOI: 10.1107/s1600577520005123
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Damping of spinful excitons in LaCoO3 by thermal fluctuations: Theory and experiment (2020)
  • Author(s): Atsushi Hariki, Ru-Pan Wang, Andrii Sotnikov, Keisuke Tomiyasu, Davide Betto, Nicholas B. Brookes, Yohei Uemura, Mahnaz Ghiasi, Frank M. F. de Groot, Jan Kune_
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 245162
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.245162
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emergent spin-1 Haldane gap and ferroelectricity in a frustrated spin-1/2 ladder (2020)
  • Author(s): Ueda, H., Onoda, S., Yamaguchi, Y., Kimura, T., Yoshizawa, D., Morioka, T., Hagiwara, M., Hagihala, M., Soda, M., Masuda, T., Sakakibara, T., Tomiyasu, K., Ohira-Kawamura, S., Nakajima, K., Kajimoto, R., Nakamura, M., Inamura, Y., Reynolds, N., Frontzek, M., White, J.S., Hase, M., and Yasui, Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 140408
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.140408
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 層状Co酸化物[Ca2CoO3]0.62CoO2における熱電輸送特性のab面内異方性 (2021)
  • Author(s): 坂林北斗, 歌川響, 岡崎竜二
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] 硬X線光電子分光によるペロブスカイト型コバルト酸化物RCoO3(R=La,Pr)のスピンクロスオーバーの電子構造への影響の検証 (2020)
  • Author(s): 江坂典起、中村拓海、金井大輔、大川万里生、芝田悟朗、小林義彦、保井晃、高木康多、浜田典昭、 齋藤智彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会