ルテニウム層状酸化物の軌道縮退と超伝導

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12046240
• 研究種目: 特定領域研究(A)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 前野 悦輝 京都大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (80181600)
• 研究分担者: 矢口 宏 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (30314173)
• キーワード: モット転移 / ルテニウム酸化物 / 軌道縮退 / スピン三重項超伝導 / 強相関電子系 / 単結晶育成 / 比熱 / Sr_2RuO_4

研究概要

本年度は擬2次元モット転移系(Ca,Sr)_2RuO_4の物性相図の構築と、その物理機構の理解を進めることを実施計画の中心に据えて研究を行った。本年度の研究成果は以下のとおりである。
(1)単結晶育成
赤外線加熱単結晶育成炉を用いてCa_<2-x>Sr_xRuO_4の全組成域の単結晶育成に成功した。その多結晶試料・単結晶試料の合成・育成方法は論文にて発表した。特に端物質であるスピン三重項超伝導体Sr_2RuO_4の高純度単結晶の育成条件を確立し、その詳細を論文にて公表した。
(2)(Ca,Sr)_2RUO_4の物性相図の構築
磁化率・比熱・電気抵抗率測定によりCa_<2-x>Sr_xRuO_4の物性相図を構築した。モット絶縁体Ca_2RuO_4のCaをSrで部分置換していくと、まずx=0.2で金属-絶縁体転移が起こり、基底状態が反強磁性絶縁体から反強磁性の短距離相関をもつ磁性金属相に1次相転移することを明らかにした。さらにx=0.5が結晶構造の2次相転移の量子臨界点になっており、これを境に反強磁性的スピン相関が、強磁性的相関に転じることを明らかにした。そしてさらにxを増加させると強磁性相関が次第に弱まりSr_2RuO_4でスピン三重項超伝導が実現している。これらの変化は3重に縮退したRuの電子軌道が、結晶構造の変化によってそのバンド幅と相対的なエネルギー準位を変化させることで理解できる。このような統一描像を論文にて発表した。
(3)モット絶縁体Ca_2RuO_4の金属化
モット絶縁体Ca_2RuO_4のCa2価イオンをLa3価イオンで部分置換する方法と、過剰酸素を導入する方法の両方で金属化することに成功した。超伝導状態を誘起することはできなかったが、反強磁性絶縁相と金属相の関係を明らかにする物性相図を構築した。これらの結果は論文にて発表した。

研究成果

• [文献書誌] Z.Q.Mao,Y.Maeno,and H.Fukazawa: "Crystal Growth of Sr_2RuO_4"Material Research Bulletin. 35・11. 1813-1824 (2000)
• [文献書誌] S.Nakatsuji and Y.Maeno: "Switching of Magnetic Coupling by a Structural Symmetry Change near the Mott Transition in Ca_<2-x>Sr_xRuO_4"Physical Review B. 62・10. 6458-6466 (2000)
• [文献書誌] S.Nakatsuji and Y.Maeno: "Synthesis and Single-Crystal Growth of Ca_<2-x>Sr_xRuO_4"Journal of Solid State Chemistry. 156. 26-31 (2001)
• [文献書誌] Y.Maeno,T.M.Rice,and M.Sigrist: "The Intriguing Superconductivity of Strontium Ruthenate"Physics Today. 54・1. 42-47 (2001)
• [文献書誌] H.Fukazawa and Y.Maeno: "Filling Control of the Mott Insulator Ca_2RuO_4"Journal of the Physical Society of Japan. 70・1. 460-467 (2001)
• [文献書誌] O.Friedt,M.Braden,G.Andre,P.Adelmann,S.Nakatsuji,and Y.Maeno: "Structural and Magnetic Aspects of the Metal-Insulator Transition in Ca_<2-x>Sr_xRuO_4"accepted for publication in Physical Review B. 63. (2001)