小さなスピンギャップを持つ低次元物質の合成とNMRによる研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12640360
• 研究機関: 上智大学
• 研究代表者: 後藤 貴行 上智大学, 理工学部, 助教授 (90215492)
• 研究分担者: 中島 理 秋田工業高等専門学校, 自然科学系, 助教授 (90261544) ; 鈴木 栄男 上智大学, 理工学部, 助手 (40327862)
• キーワード: NMR / 高温超伝導体 / 低次元量子スピン系磁性体 / スピンギャップ

研究概要

本研究の目的は小さなスピンギャップを持つ系を合成し、強磁場によってギャップを潰した状態で、低温において新しい電子状態が出現するかどうかをNMRのシフト及び縦緩和率によって調べることであり、タリウム系高温超伝導体と低次元量子スピンラダー磁性体について以下の成果を得た。
1)タリウム系高温超伝導体TlBa_2(Ca_xY_<1-x>)Cu_2O_7
この系は反強磁性相(x=0)からわずかに過剰ドープとなる領域(x=1)まで広い範囲まで合成可能であるため、全領域をシステマティックに調べることができた。その結果、ライトドープ域における常伝導状態で、緩和率にはスピンギャップが出現するが、ナイトシフトの温度依存性は完全に平坦でスピンギャップが全く現れないという異常な結果が得られた。これは他系ではこれまで全く見られなかった現象であり、理論的な電子相図に制限を加える可能性があることを明らかにした。
2)低次元量子スピン系磁性体NH_4CuCl_3
この系は、磁性を担うCu-3dスピンの結合角がほぼ90度であるため交換相互作用が十数Kと小さく、実験室で発生可能な磁場でスピンギャップを潰すことが出来る。さらにゼロ磁場での基底状態が二足梯子でありながら磁気的であることや、磁場印加過程で磁化にプラトーが現れるなどの異常が報告されており、その原因の解明が待たれていた。本研究では強磁場中で単結晶試料を回転させながら測定することでNMRスペクトルの同定を行った。
その結果、スロープ上においてもプラトー上においても、内部磁場がほぼゼロの磁気的に単一なNMRサイトとして観察されることを明らかにした。これはスピン構造がグラス的なものではなく、singletとtripletに明確に分離していることを意味している。さらに磁化が有限に現れた領域で有限温度でサイトの分離が観測されたことは、励起tripletサイトはNMRの時間スケール(〜μsec程度)ではほぼ静止していることを意味していることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] S. Endo, T. Goto, et al.: "Anomalous Splitting of ^1H-NMR Spectra in λ-(BEDT-TSF)_2FeCl_4"J. Phys. Soc. Jpn.. (in press). (2002)
• [文献書誌] S. Endo, T. Goto, et al.: "Metal-insulator transitions in magnetic conductor l-(BEDT-TSF)2FeCl4 studied by 1H and 77Se NMR"Synthetic Metals. (in press). (2002)
• [文献書誌] Y. Furukawa, T. Goto, et al.: "NMR studies of magnetic superconductor RuSr_2RECu_2O_8(RE=Gd, Eu and Y)"J. Phys. Chem. Solids. (in press). (2002)
• [文献書誌] Y. Kunii, T. Goto, et al.: "NMR study on high-T_c cuprate TlBa_2(Y_<1-x>Ca_x)Cu_2O_7 with the wide-range of hole concentration from antiferromagnetic to overdoped region"J. Phys. Chem. Solids. (in press). (2002)
• [文献書誌] T. Fukase, T. Goto, et al.: "Elastic anomalies induced by spin-flop in La_<1.88>Sr_<0.12>CuO_4"Physica. B284-288. 483-484 (2000)
• [文献書誌] S. Endo, T. Goto, et al.: "^1H-NMR of an organic π-d metal κ-(BEDT-TSF)_2FeCl_4"Physica. B281-282. 682-683 (2000)
• [文献書誌] T. Goto, et al. (Eds. K. Watanabe, M.Motokawa): "Materials Science in High Magnetic Fields(Springer-Verlag)"NMR study on Tl-based high-T_C cuprate Tl(Ba, Sr)_2(Y, Ca)Cu_2O_7 in wide hole concentration range from antiferromagnetic to overdoped region. 325 (2002)