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

• 研究領域: J-Physics：多極子伝導系の物理
• 研究課題/領域番号: 16H01077
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 渡辺 真仁 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40334346)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Effects of crystalline electronic field and onsite interorbital interaction in Yb-based quasicrystal and approximant crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe and K. Miyake
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 30 号: 18 ページ: 184001-184001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aab817
  • NAID: 120006604496
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gruneisen Parameter and Thermal Expansion by the Self-Consistent Renormalization Theory of Spin Fluctuations (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe, Miyake
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 号: 3 ページ: 034712-034712
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.034712
  • NAID: 40021491927
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coincidence of magnetic and valence quantum critical points in CeRhIn5 under pressure (2017)
  • 著者名/発表者名: Z. Ren, G. W. Scheerer, D. Aoki, K. Miyake, S. Watanabe, D. Jaccard
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 号: 18 ページ: 184524-184524
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.184524
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ubiquity of Unconventional Phenomena Associated with Critical Valence Fluctuations in Heavy Fermion Metals (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Miyake and S. Watanabe
  • 雑誌名: Philos. Mag. 巻: 97 号: 36 ページ: 3495-3516
  • DOI: 10.1080/14786435.2017.1314561
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] New Quantum Criticality Revealed under Pressure (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe and K. Miyake
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 56 号: 5S3 ページ: 05FA01-05FA01
  • DOI: 10.7567/jjap.56.05fa01
  • NAID: 210000147791
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lifetime-Broadening-Suppressed X-ray Absorption Spectrum of β-YbAlB4 Deduced from Yb 3d→2p Resonant X-ray Emission Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Kawamura, N. Kanai, H. Hayashi, Y. H. Matsuda, M. Mizumaki, K. Kuga, S. Nakatsuji and S. Watanabe
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 86 号: 1 ページ: 014711-014711
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.014711
  • NAID: 210000134233
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Origin of Quantum Criticality in Yb-Al-Au Approximant Crystal and Quasicrystal (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe and K. Miyake
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 号: 6 ページ: 063703-063703
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.063703
  • NAID: 120006407334
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Quantum Criticality Universal to Yb-Based Quasicrystal and Periodic Crystal (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: International Workshop on Multipole Physics and Related Phenomena (J-Physics 2017), Hachimantai, Iwate
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Universality of Quantum Criticality in Yb-Based Heavy Fermions on Quasicrystal and Pressurized Approximant Crystal (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: The 26th International Conference on High Pressure Science and Technology (AIRAPT26), Beijing, China
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel Superconductivity and Quantum Criticality Induced by Critical Valence Fluctuations (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: The International Workshop on Recent Progress in Superconductivity (IWRS 2017), PyeongChang, Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡辺真仁、三宅和正
  • 学会等名: 日本物理学会 （岩手大学）
• [学会発表] Origin of Quantum Criticality in Yb-Al-Au Quasicrystal and Approximant Crystal (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: International Workshop on "Open Space Between Aperiodic Order and Strong Electronic Correlations", Annecy, France
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 渡辺真仁、三宅和正
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] Universality of Unconventional Quantum Criticality in Correlated Electrons on Periodic- and Quasi-crystal Systems (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: 14th Bilateral Japanese -German Symposium "Effects of Parity Mixing in Correlated Electron Systems"
  • 発表場所: Sapporo, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Quantum Criticality Revealed under Pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: The 17th International Conference on High Pressure in Semiconductor Physics (HPSP-17) and Workshop on High-pressure Study on Superconducting (WHS)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unconventional Quantum Criticality Universal to Yb-Based Periodic- and Quasi-Crystal Systems (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe
  • 学会等名: International Workshop on Fermi-Surface Topology and Emergence of Novel Electronic States in Strongly Correlated Systems
  • 発表場所: Natal, Brazil
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 圧力と磁場制御による量子臨界物性の新展開 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡辺真仁
  • 学会等名: 第２回強相関電子系研究会
  • 発表場所: 島根大学
  • 招待講演
• [備考] 渡辺研究室
  • URL: http://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/
• [備考] 渡辺研究室
  • URL: http://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/index.html