多極子と伝導電子の混成効果とそれに基づく新規基底状態の実験的究明

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11J05912
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 酒井 明人 東京大学, 物性研究所, 特別研究員(DC1)
• キーワード: 四極子近藤効果 / 四極子秩序 / 籠状化合物 / 量子臨界現象 / 重い電子超伝導

研究概要

磁気モーメントを用いた近藤効果は量子臨界現象や重い電子超伝導を始めとした様々な興味深い現象の起源となっていることで知られている。しかし軌道自由度を用いた場合何がおこるのかはよくわかっていない。鉄砒素系超伝導体では軌道ゆらぎが電子間引力の起源として議論されている。しかしd電子系では軌道自由度がスピンや電荷自由度と一体となっているため複雑で興味深い現象が現れる反面、起源を理解するのは難しい。一方f電子系では立方晶Pr化合物のΓ_3状態など、軌道(四極子)自由度のみをもつ状態をとることがある。
我々が研究対象としているPrTr_2Al_<20>(Tr=Ti,V)は立方晶Γ3結晶場基底状態をとり、励起状態も60K(Ti),40(V)と十分離れており、また四極子転移をT_Q=2.0K(Ti),0.6K(V)で示すため四極子の研究に最適な系である。さらにΓ3系で初めて電気抵抗率に近藤効果を示す混成の強い系である。特にPrV_2Al_<20>ではT_Q<T<～10Kの温度で異常な金属状態が観測され、四極子近藤効果の可能性が高い。
本年度の研究において、我々は非常に高純度なPrTi_2Al_<20>の単結晶が0.2Kの極低温において、超伝導になることを見出した(文献[1])。これまで超伝導が発見できなかった理由としては、(1)この超伝導は非磁性不純物に弱く高純度なサンプルが必要(2)臨界磁場が小さいために残留磁場を排除した精密な測定が必要などの理由が考えられ、本研究ではこれらの課題が克服され超伝導発見に至った。この超伝導はT_Q=2.0Kの強四極子秩序相内で起きており、四極子自由度は凍結していると考えられるが、電子比熱と臨界磁場から求められる有効質量が電子質量の16倍程度に増大しており、伝導電子と四極子の混成の影響が現れている可能性がある。
さらに興味深いことにこの物質に圧力を加えると混成が強まり、約8GPaの高圧で超伝導転移温度が約1Kまで上昇し、有効質量が電子質量の100倍にまで増大する(文献[4])。この圧力で四極子転移温度の減少が観測されていることから、四極子秩序の量子臨界現点に近づいた可能性が考えられる。四極子秩序の量子臨界点に関する研究は理論的にも実験的にもこれまで全くなく、非常に画期的な成果である。さらに四極子ゆらぎが超伝導対形成に寄与している可能性があり、全く新しい超伝導である可能性がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

PrTi2Al20の純良化に成功し、極低温下での精密な物性測定によりこの物質が強四極子秩序相内0.2Kで電子質量の16倍の準粒子質量をもつ重い電子超伝導を示すことを発見した。さらに上床研究室との共同研究において約8GPaの圧力下で、PrTi2Al20は四極子秩序温度の減少と同時に、超伝導転移温度の増大(～1K)、及び有効質量の増大(～100m_O)を見出した。これらの結果は四極子秩序の量子臨界点に近づいた可能性を示唆しており大変興味深い。

今後の研究の推進方策

PrTi2Al20の常圧極低温度での比熱・帯磁率を詳細に測定することにより常圧での超伝導特性を明らかにする。PrTi2Al20の超伝導は非磁性不純物に弱く異方的超伝導の可能性がある。PrV2Al20はPrTi2Al20より混成が強く,さらに重い電子超伝導が発現する可能性が高いが、結晶の乱れによりそれが妨げられている可能性が非常に高い。従ってPrV2Al20の純良化を行なう。

研究成果

• [雑誌論文] Evidence of a High-Field Phase in PrV2Al20 1n a[100]Magnetic Field (2013)
  • 著者名/発表者名: Y, Shimura, Y, Ohta, T, Sakakibara, A, Sakai, and S, Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 82 ページ: 043705-043709
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.043705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field Dependence of the Specific Heat in a Heavy-Fermion Superconductor CeIrIn5 (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Aoki, S, Kittaka. T, Sakakibara, A, Sakai, S, Nakatsuj i, Y, Tsutsumi, M, Ichioka, and K, Machida
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 81 ページ: supplement B SB014
  • DOI: 10.1143/JPSJS.81SB.SB014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low Temperature Properties of the Cubic Kondo Lattice Systems SmTr2A12O (Tr = Ti v Cr) (2012)
  • 著者名/発表者名: Akito Sakai and Satoru Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 81 ページ: supplement B SB049
  • DOI: 10.1143/JPSJS.81SB.SB049
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic Evidence for Long-Range Magnetic Ordering in the I 8 Ground Quartet Systems SmTr2A120 (Tr: Ti, V, Cr) (2012)
  • 著者名/発表者名: T, U, Ito, W, Higemoto, K. Ninomiya, A, Sakai, and S, Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 81 ページ: supplement B SB050
  • DOI: 10.1143/JPSJS.81SB.SB050
  • 査読あり
• [雑誌論文] superconductivity in the rerroduadrupolar State in tne Quadrupolar Rondo Lattice PrTi2A120 (2012)
  • 著者名/発表者名: Akito Sakai, Kentaro Kuga, and Satoru Nakatsuji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 81 ページ: 083702-083706
  • DOI: 10.1143/JPSJ.81.083702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroauadrupolar ordering in PrTi2A120 (2012)
  • 著者名/発表者名: T, J. Sato, S, Ibuka, Y, Nambu, T, Yamazaki, T. Hong, A. Sakai, S, Nakatsuji
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 86 ページ: 184419-184427
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.86.184419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconducting gap structure of Celrln5 from field-angle-resolved measurements of its specific heat (2012)
  • 著者名/発表者名: S, Kittaka, Y, Aoki, T, Sakakibara, A, Sakai, S, Nakatsuji, Y, Tsutsumi, M, Ichioka, and K, Machida
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 85 ページ: 060505(R)-060509(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.85.060505
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-Induced Heavy Fermion Superconductivity in the Nonmagnetic Quadrupolar System PrTi2A120 (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Matsubayashi, T, Tanaka, A, Sakail, S, NakatsujiI, Y. Kubo, and Y, Uwatoko
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 109 ページ: 187004-187009
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.87004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal properties of the nonmagnetic cubic I 3 Kondo lattice systems PrTr2Al20 (Tr = Ti, V) (2012)
  • 著者名/発表者名: Akito Sakai and Satoru Nakatsuj
  • 雑誌名: J. Phys. Conf. Ser. 巻: 391 ページ: 12058-012062
  • DOI: 10.1088/1742-6596/391/1/012058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and physical properties of single crystal PrCr2A120 and CeM2Al20 (M=V, Cr):Acompari sonofcompoundsadoptingtheCeCr2Al20 structure type (2012)
  • 著者名/発表者名: Michael J, Kangas, DevinC, Schmitt, Akito Sakai, Satoru Nakatsuji, JuliaY. Chan
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 196 ページ: 274-281
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2012.06.035
  • 査読あり
• [学会発表] 四極子近藤格子系PrTi2A120の超伝導特性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 酒井明人, 辻本真規, E. C. T. 0 Farrell, 松本洋介, 中辻知
  • 学会等名: 日本物理学会 第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-26
• [学会発表] 四極子近藤格子PrTr2A120 (Tr =Ti, V)における四極子秩序と超伝導 (2012)
  • 著者名/発表者名: 酒井明人, 久我健太郎, E. C. T.O, Farrell 松本洋介, 柄木良友, 中辻知
  • 学会等名: 第6回 物性科学領域横断研究会
  • 発表場所: 東京大学 浅野キャンパス
  • 年月日: 2012-11-28
• [学会発表] Kondo Effects and Multipole Orders in the cage compounds RTr2A120 (R=Pr and Sn. Tr = Ti, V, Cr (2012)
  • 著者名/発表者名: A, Sakai, K. Kuga, E, C, T, 0'Farrell, and Satoru Nakatsuji
  • 学会等名: 新学術領域研究「重い電子系の形成と秩序化」ワークショップ(カゴ状構造に宿る強相関物性)
  • 発表場所: 首都大学東京 南大沢キャンパス
  • 年月日: 2012-09-27
• [学会発表] 四極子近藤格子系PrTr2A120 (Tr=Ti, V)における極低温物性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 酒井明人, 久我健太郎, E, C, T.0, Farrell, 柄木良友, 中辻知
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-19
• [学会発表] Anomalous hybridization effect in cubic Quadrupole system PrTr2A120 (Tr= Ti, V (2012)
  • 著者名/発表者名: A, Sakai, K. Kuga and SatoruNakatsuji
  • 学会等名: The 19th International Conference on Magnetism with Strongly Correlated Electron Systems
  • 発表場所: Busan, Korea
  • 年月日: 2012-07-13