Activation of electronic degrees of freedom competing with high-rank multipole orders by charge and magnetic-moment doping

• Project Area: 3D Active-Site Science
• Project/Area Number: 17H05209
• 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: Ibaraki University
• Principal Investigator: 岩佐 和晃 茨城大学, フロンティア応用原子科学研究センター, 教授 (00275009)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 希土類化合物 / 強相関電子系 / カイラル対称性 / X線散乱 / 中性子散乱 / 高次多極子 / 希土類金属化合物 / 電子多極子 / 量子ビーム / 元素置換

Outline of Annual Research Achievements

永久磁石や発光材料に用いられる希土類元素における不対4f電子は、原子に束縛された局在電子状態にあり、電子スピンと軌道角運動量が結合して磁化や結晶電場エネルギー準位が観測される。一方、結晶格子の対称性によっては、磁化を持たない量子状態も許され、高次テンソルで表される電気／磁気多極子が固有状態として活性となりうる。さらに、f電子が伝導電子と混成して物質中を伝導する遍歴性を帯びる近藤効果も知られており、その場合キャリアーの有効質量は重くなる。さらに、電子軌道の混成によって形成されるバンドギャップによる近藤半導体や近藤半金属が生じる。本研究では、構造不安定性を伴う電子秩序相転移や、カイラル（対掌）構造相転移を示す近藤半金属における異常磁性を対象とした電子物性研究を目指し、さらにそれらへの元素置換効果を含めて、主にX線と中性子の散乱実験によって研究した。具体的には以下の研究成果を得た。
(1) Ce3Ru4Sn13は重い電子系物質と提案されたが、通常金属と異なる低温での電気抵抗と磁気比熱が報告されていた。本研究での装置整備によって独自に合成した試料を用いたX線と中性子の散乱実験により、３次元の比較的等方的な結晶構造であるにも関わらず、Ceイオン間に１次元反強磁性相関が発達する現象を初めて明らかにした。
(2) Yb3Ir4Ge13は少数キャリアー近藤効果がはたらく半金属物質とされる。これを提唱した米国グループから提供された試料の中性子散乱実験により、本物質が反強磁気転移臨界点の近傍にある常磁性金属であり、そこでのスピンゆらぎが少数キャリアーを散乱すると考えられる結果を得た。
(3) 三元希土類化合物に対する放射光蛍光X線ホログラフィー測定のフィージビリティースタディーを行った。さらに磁性や超伝導状態での局所構造解明に向けた低温における測定法を共同研究により構築した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CEA-CNRS Laboratoire Leon Brillouin(フランス)
• [Int'l Joint Research] CEA-CNRS Laboratoire Leon Brillouin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [Journal Article] Magnetic-Ordering Propagation Vectors of Terbium Hexaboride Revisited (2018)
  • Author(s): Iwasa Kazuaki、Iga Fumitoshi、Moyoshi Taketo、Nakao Akiko、Ohhara Takashi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Issue: 6 Pages: 064705-064705
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.064705
  • NAID: 210000134869
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chiral-crystal-structure transformations and magnetic states of R3Rh4Sn13 (R=La and Ce) (2018)
  • Author(s): Kazuya Suyama, Kazuaki Iwasa, Yuka Otomo, Keisuke Tomiyasu, Hajime Sagayama, Ryoko Sagayama, Hironori Nakao, Reiji Kumai, Yoshinori Kitajima, Fran?oise Damay, Jean-Michel Mignot, Akira Yamada, Tatsuma D. Matsuda, and Yuji Aoki
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Issue: 23 Pages: 231538-231538
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.235138
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum paramagnet near spin-state transition (2018)
  • Author(s): K. Tomiyasu, N. Ito, R. Okazaki, Y. Takahashi, M. Onodera, K. Iwasa, T. Nojima, T. Aoyama, K. Ohgushi, Y. Ishikawa, T. Kamiyama, S. Ohira-Kawamura, M. Kofu and S. Ishihara
  • Journal Title: Advanced Quantum Technology Volume: 2018 Issue: 3 Pages: 1800057-1800057
  • DOI: 10.1002/qute.201800057
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neutron Diffraction Studies on Valence Ordering Compound YbPd (2018)
  • Author(s): Oyama Kohei、Sugishima Masaki、Tanabe Kousuke、Mitsuda Akihiro、Wada Hirofumi、Ohoyama Kenji、Matsukawa Takeshi、Yoshida Yukihiko、Hoshikawa Akinori、Ishigaki Toru、Iwasa Kazuaki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Issue: 11 Pages: 114705-114705
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.114705
  • NAID: 210000135014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Resonant x-ray scattering study on electronic hybridization in unconventional ordered phase of PrRu4P12 (2018)
  • Author(s): Nakao Hironori、Tabata Chihiro、Iwasa Kazuaki
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 969 Pages: 012118-012118
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inelastic neutron scattering study on 4f-electron multipole system Pr Tr 2 X 20 ( Tr : transition metal, X : Al and Zn) (2017)
  • Author(s): Iwasa Kazuaki、Onimaru Takahiro、Takabatake Toshiro、Higashinaka Ryuji、Aoki Yuji、Ohira-Kawamura Seiko、Nakajima Kenji
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: Available on line Pages: 1-4
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.11.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Properties of Electron-Doped LaCoO3 (2017)
  • Author(s): Tomiyasu Keisuke、Sato Mika、Koyama Shun-Ichi、Nojima Tsutomu、Kajimoto Ryoichi、Ji Sungdae、Iwasa Kazuaki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 9 Pages: 094706-094706
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.094706
  • NAID: 210000134508
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal-electric-field excitations and spin dynamics in Ce3Co4Sn13 semimetallic chiral-lattice phase (2017)
  • Author(s): Iwasa Kazuaki、Otomo Yuka、Suyama Kazuya、Tomiyasu Keisuke、Ohira-Kawamura Seiko、Nakajima Kenji、Mignot Jean-Michel
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.195156
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evidence for antiferromagnetic-type ordering of f-electron multipoles in PrIr2Zn20 (2017)
  • Author(s): Iwasa Kazuaki、Matsumoto Keisuke T.、Onimaru Takahiro、Takabatake Toshiro、Mignot Jean-Michel、Gukasov Arsen
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 15 Pages: 155106-155106
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.155106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 4f2配位系PrIr2Zn20における反強多極子秩序 (2017)
  • Author(s): 鬼丸孝博、岩佐和晃
  • Journal Title: 日本中性子科学会誌「波紋」 Volume: 27 Pages: 144-147
  • NAID: 130007510656
  • Peer Reviewed
• [Presentation] R3T4Sn13 (R = La, Ce, T = Ir, Ru)の構造相転移と磁性の量子ビーム散乱研究 (2019)
  • Author(s): 中里晟也, 岩佐和晃, 狩野遼河, 宮川貫伍, 塩澤真未, 橋本大輔, 桑原慶太郎, 中尾裕則, 河村聖子, 中島健次, Jean-Michel Mignot
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] PrRu4P12の秩序相におけるp-f混成の変調構造の共鳴X線散乱による観測 (2019)
  • Author(s): 中尾裕則, 田端千紘, 岩佐和晃
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光で観測するCeSbの電子格子結合 (2019)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 岩佐和晃, N. Rezaei, 鈴木博之, 芳賀芳範, 国定聡, 櫻木俊輔, 明比俊太朗, M. Alaei, 北澤英明, 辛埴, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Yb3Ir4Ge13における少数キャリアー半金属状態と反強磁気ゆらぎ (2019)
  • Author(s): 岩佐和晃, C.-L. Huang, Binod K. Rai, E. Morosan, 河村聖子, 中島健次
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Ce3Tr4Sn13 (Tr: Co, Ru, Rh)の半金属状態における結晶構造と磁気状態の量子ビーム散乱研究 (2018)
  • Author(s): 岩佐和晃, 狩野遼河, 宮川貫伍, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 佐賀山遼子, 熊井玲児, 河村聖子, 菊地龍弥, 中島健次
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] TbB6における磁気－構造相転移の再検証 (2018)
  • Author(s): 岩佐和晃, 伊賀文俊, 茂吉武人, 中尾朗子, 大原高志
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Inelastic neutron scattering study on 4f-electron multipole system PrTr2X20 (Tr : transition metal, X : Al and Zn) (2017)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa, Takahiro Onimaru, Toshiro Takabatake, Ryuji Higashinaka, Yuji Aoki, Seiko Ohira-Kawamura, Kenji Nakajima
  • Organizer: International Conference on Neutron Scattering ICNS2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron-diffraction evidence for 4f-electron multipole ordering in PrIr2Zn20 (2017)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa, Keisuke T. Matsumoto, Takahiro Onimaru, Toshiro Takabatake, Jean-Michel Mignot, Arsen Gukasov
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Resonant x-ray scattering study on electronic hybridization in unconventional ordered phase of PrRu4P12 (2017)
  • Author(s): H. Nakao, C. Tabata, K. Iwasa
  • Organizer: The 28th International Conference on Low Temperature Physics LT28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 価数秩序物質YbPdの磁気構造解析 (2017)
  • Author(s): 大山耕平, 光田暁弘, 大山研司, 松川健, 吉田幸彦, 星川晃範, 石垣徹, 岩佐和晃, 和田裕文
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Sc置換LaCoO3における磁化と体積磁歪 スピン状態転移近傍に現れる励起子絶縁体の候補物質としての検討 (2017)
  • Author(s): 富安啓輔, 伊藤菜緒子, 岡崎竜二, 高橋佑生, 岩佐和晃, 野島勉, 青山拓也, 石原純夫, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Pr1-2-20系のf電子状態に関する中性子散乱研究 (2017)
  • Author(s): 岩佐和晃, 鬼丸孝博, 高畠敏郎, 東中隆二, 青木勇二, 河村聖子, 中島健次）, Jean-Michel Mignot, Arsen Gukasov
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Pr1-2-20系の非磁性基底状態と多極子秩序の中性子散乱研究 (2017)
  • Author(s): 岩佐和晃, 鬼丸孝博, 高畠敏郎, 東中隆二, 青木勇二, 河村聖子, 中島健次, Jean-Michel Mignot, Arsen Gukasov
  • Organizer: 日本中性子科学会第17回年会
• [Presentation] 中性子回折による価数秩序物質YbPdの磁気構造の研究 (2017)
  • Author(s): 大山耕平, 光田暁弘, 大山研司, 松川健, 吉田幸彦, 星川晃範, 石垣徹, 岩佐和晃, 和田裕文
  • Organizer: 日本中性子科学会第17回年会
• [Remarks] 茨城大学フロンティア応用原子科学研究センター 物質構造物理研究室
  • URL: http://msp.fas.ibaraki.ac.jp/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://msp.fas.ibaraki.ac.jp/index.html