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2015 年度 実績報告書

ナノ空間におけるアルカリ金属s電子系の絶縁体金属転移と強磁性

研究課題

研究課題/領域番号 24244059
研究機関大阪大学

研究代表者

野末 泰夫  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60125630)

研究分担者 萩原 政幸  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10221491)
中野 岳仁  大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (50362611)
五十嵐 睦夫  群馬工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (60259819)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2017-03-31
キーワード絶縁体金属転移 / 磁性 / アルカリ金属クラスター / ゼオライト / 電子相関 / 電子格子相互作用 / NMR
研究実績の概要

多孔質結晶のゼオライトでは,安定なアルミノ珪酸塩骨格の間に3次元的に規則正しく配列したナノ空間(細孔)が形成される。この空間にアルカリ金属を吸蔵させると,s電子は局在量子準位を形成するとともに,窓を通じて細孔間を遷移し,電子相関が効いた新奇な多体電子系を形成する。その結果,非磁性元素の金属で構成されているにもかかわらずフェリ磁性や反強磁性や絶縁体金属転移など,構成元素からは予想されない物性が観測される。
種々あるゼオライトの中で,βケージとスーパーケージの二種類の細孔がそれぞれダイヤモンド構造で配列したゼオライトLSXにNa-K合金クラスターを作成したところ, NaとKのイオン数がそれぞれ細孔当たり7.3個と4.7個のものに,カリウム原子を約9個吸蔵させた試料で,ほぼ純粋な強磁性が観測された。電気抵抗率は高く,絶縁体状態にある。また,強磁性を示す試料では,βケージに形成されたクラスターによる光学反射スペクトルが観測された。これらの実験結果から,βケージには,磁気モーメントをもつクラスター形成され,それが強磁性的に配列していると考えられる。
そこで,βケージの磁気モーメント間の強磁性相互作用を説明するために,スーパーケージ中のクラスターを仲立ちにして発生する超交換相互作用を考えた。スーパーケージ中にはsp3縮退軌道が形成されており,そこに8個のs電子が占有して閉殻を形成する。その際,隣接するβケージ間の超交換相互作用においては,運動交換項が効かず,ポテンシャル交換項による強磁性相互作用が支配的となる機構を提案した。
一方, Naイオン数が細孔当たり4個の系が示すフェリ磁性とは,磁性も電気的性質も大きく異なり,Naイオン数の違いによって,電子状態が大きく変化することが分かってきた。

現在までの達成度 (区分)
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

βケージとスーパーケージの二種類の細孔がそれぞれダイヤモンド構造で配列したゼオライトLSXにNa-K合金クラスターを作成した系は,NaとKの比率に依存して,磁性と電気伝導が劇的に変化することがより明確に分かってきた。これまでばらばらに理解されてきた内容が,NaとKイオンのイオン化ポテンシャルの違いによって,電子格子相互作用に違いが発生するという観点から,系統的に理解されつつある。Naだけの系では,電子格子相互作用が大きく効いており,非磁性の絶縁体となるが,Na吸蔵量を増加させると,金属に転移し,熱活性型の磁化率が観測され,これを準安定なスモールポーラロンの形成機構で解釈した。これにKの比率を増やして行くと,今回のように,絶縁体のまま,突然,ほぼ純粋な強磁性が突然観測されることが判明した。Kの比率をさらに増やすと,金属状態のフェリ磁性が観測され,電気的にも磁気的にも系統的な変化が現れることが明らかになった。これらは,ハバードモデルにおける電子遷移エネルギーtに電子間反発エネルギーUを考慮した系に,電子格子相互作用Sを取り入れたt-U-Sダイヤグラムに電子濃度nの違いを取り入れた相図が形成されているとして全体が理解されつつある。

今後の研究の推進方策

βケージとスーパーケージの二種類の細孔がそれぞれダイヤモンド構造で配列したゼオライトLSXにおいて,Naイオン数が細孔当たり4個の系ではフェリ磁性を示し,K吸蔵量のわずかな違いに依存して,磁性が変化するだけでなく,電気抵抗にも異常が現れることが分かってきた。これらも含めて,ナノ空間に導入されたアルカリ金属s電子系の絶縁体金属転移と磁性の関連について,全体像を明らかにする。

  • 研究成果

    (39件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 謝辞記載あり 10件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (28件) (うち国際学会 12件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Optical, electrical and magnetic properties of potassium metal loaded into channel-type zeolite L2016

    • 著者名/発表者名
      P. T. Thi, T. Nakano, Y. Sakamoto, and Y. Nozue
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 85 ページ: 024703-1~12

    • DOI

      10.7566/JPSJ.85.024703

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Metal-to-insulator crossover in alkali doped zeolite2016

    • 著者名/発表者名
      M. Igarashi, P. Jeglic, A. Krajnc, R. Zitko, T. Nakano, Y. Nozue, and D. Arcon
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 ページ: 18682-1~8

    • DOI

      10.1038/srep18682

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Antiferromagnetic order in single crystals of the S=2 quasi-one-dimensional chain MnCl3(bpy)2016

    • 著者名/発表者名
      S. Shinozaki, A. Okutani, D. Yoshizawa, T. Kida, T. Takeuchi, S. Yamamoto, O.N. Risset, D.R. Talham, M.W. Meisel, and M. Hagiwara
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 93 ページ: 014407-1~6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.014407

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Synchrotron-radiation-based Mossbauer spectroscopy of 40K in antiferromagnetic potassium nanoclusters in sodalite2015

    • 著者名/発表者名
      T. Nakano, N. Fukuda, M. Seto, Y. Kobayashi, R. Masuda, Y. Yoda, M. Mihara, and Y. Nozue
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 91 ページ: 140101-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.91.140101

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Ferromagnetism of Na-K alloy clusters incorporated in zeolite low-silica X2015

    • 著者名/発表者名
      L. M. Kien, T. Goto, D. T. Hanh, T. Nakano, and Y. Nozue
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 84 ページ: 064718-1-9

    • DOI

      10.7566/JPSJ.84.064718

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Observation of the orbital quantum dynamics in the spin-1/2 hexagonal antiferromagnet Ba3CuSb2O92015

    • 著者名/発表者名
      Y. Han, M. Hagiwara, T. Nakano, Y. Nozue, K. Kimura, M. Halim, and S. Nakatsuji
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 92 ページ: 180410-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.92.180410

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Absence of Jahn-Teller transition in the hexagonal Ba3CuSb2O9 single crystal2015

    • 著者名/発表者名
      N. Katayama, K. Kimura, Y. Han, J. Nasu, N. Drichko, Y. Nakanishi, M. Halim, Y. Ishiguro, R. Satake, E. Nishibori, M. Yoshizawa, T. Nakano, Y. Nozue, Y. Wakabayashi, S. Ishihara, M. Hagiwara, H. Sawa, and S. Nakatsuji
    • 雑誌名

      Proc. Nat. Acad. Sci.

      巻: 112 ページ: 9305-9309

    • DOI

      10.1073/pnas.1508941112

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetic properties of single-crystals of the S=2 quasi-1D Heisenberg antiferromagnet MnCl3(bpy)2015

    • 著者名/発表者名
      M. Hagiwara, S. Shinozaki, A. Okutani, D. Yoshizawa, T. Kida, T. Takeuchi, O.N. Risset, D.R. Talham, and M.W. Meisel
    • 雑誌名

      Physics Procedia

      巻: 75 ページ: 106-113

    • DOI

      10.1016/j.phpro.2015.12.015

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Transport properties of the metallic two-dimensional triangular antiferromagnet Ag2CrO22015

    • 著者名/発表者名
      T. Kida, A. Okutani, H. Yoshida, and M. Hagiwara
    • 雑誌名

      Physics Procedia

      巻: 75 ページ: 647-652

    • DOI

      10.1016/j.phpro.2015.12.083

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High field magnetization of single crystals of the S=1/2 quasi-1D Ising-like antiferromagnet SrCo2V2O82015

    • 著者名/発表者名
      A. Okutani, T. Kida, T. Usui, T. Kimura, K. Okunishi, and M. Hagiwara
    • 雑誌名

      Physics Procedia

      巻: 75 ページ: 779-784

    • DOI

      10.1016/j.phpro.2015.12.101

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetic resonance in the chiral helimagnet CrNb3S62015

    • 著者名/発表者名
      D. Yoshizawa, J. Kishine, Y. Kousaka, Y. Togawa, M. Mito, J. Akimitsu, K. Inoue, and M. Hagiwara
    • 雑誌名

      Physics Procedia

      巻: 75 ページ: 926-931

    • DOI

      10.1016/j.phpro.2015.12.101

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Effect of Ca-substitution on the magnetic ordered state of (Na1-xCax)2Ir2O7 studied by muSR2016

    • 著者名/発表者名
      R. Asih
    • 学会等名
      日本物理学会第71 回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学,仙台
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Probing the Superconducting Ground State of Organic Superconductor λ-(BETS)2GaCl42016

    • 著者名/発表者名
      D. P. Sari
    • 学会等名
      日本物理学会第71 回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学,仙台
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] ゼオライトA 中のカリウムクラスターの中性子磁気回折2016

    • 著者名/発表者名
      中野岳仁
    • 学会等名
      日本物理学会第71 回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学,仙台
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 変形ポテンシャル相互作用によるポーラロン形成とゼオライト中のアルカリ金属の絶縁体金属転移2016

    • 著者名/発表者名
      野末泰夫
    • 学会等名
      日本物理学会第71 回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学,仙台
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] ゼオライト中に配列したカリウムナノクラスターの磁気秩序とメスバウアー分光2016

    • 著者名/発表者名
      中野岳仁
    • 学会等名
      第4 回先進的放射光メスバウアー分光研究会
    • 発表場所
      名古屋工業大学
    • 年月日
      2016-03-03 – 2016-03-03
  • [学会発表] Multifrequency ESR studies of low-dimensional antiferromagnets in high magnetic fields2016

    • 著者名/発表者名
      M. Hagiwara
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Physical Phenomena at High Magnetic Fields
    • 発表場所
      Florida, USA
    • 年月日
      2016-01-06 – 2016-01-09
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic properties of Na-K alloy clusters incorporated in zeolite low-silica X2015

    • 著者名/発表者名
      L. M. Kien
    • 学会等名
      International Symposium on Present and Future of Material Sciences
    • 発表場所
      Osaka University, Toyonaka
    • 年月日
      2015-11-17 – 2015-11-18
    • 国際学会
  • [学会発表] muSR Study on the Pyrochlore Iridates R2Ir2O7 (R = Nd, Sm)2015

    • 著者名/発表者名
      R. Asih
    • 学会等名
      International Symposium on Present and Future of Material Sciences
    • 発表場所
      Osaka University, Toyonaka
    • 年月日
      2015-11-17 – 2015-11-18
    • 国際学会
  • [学会発表] muSR Study of Non-magnetic Anion Based Superconductors lambda-(BETS)2GaCl42015

    • 著者名/発表者名
      D. P. Sari
    • 学会等名
      International Symposium on Present and Future of Material Sciences
    • 発表場所
      Osaka University, Toyonaka
    • 年月日
      2015-11-17 – 2015-11-18
    • 国際学会
  • [学会発表] スピ ン軌道液体的振る舞いを示すBa3CuSb2O9の強磁場多周波ESR2015

    • 著者名/発表者名
      萩原政幸
    • 学会等名
      東大物性研短期研究会「スピン系物理の深化と最前線」
    • 発表場所
      東京大学
    • 年月日
      2015-11-16 – 2015-11-18
  • [学会発表] 擬一次元反強磁 性体SrCo2V2O8の強磁場磁性2015

    • 著者名/発表者名
      奥谷顕
    • 学会等名
      東大物性研短期研究会「スピン系物理の深化と最前線」
    • 発表場所
      東京大学
    • 年月日
      2015-11-16 – 2015-11-18
  • [学会発表] 擬一次元反強磁 性体SrCo2V2O8の強磁場ESR2015

    • 著者名/発表者名
      奥谷顕
    • 学会等名
      第54回電子スピンサイエンス学会年会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ,新潟
    • 年月日
      2015-11-02 – 2015-11-04
  • [学会発表] 擬一次元フラ ストレート磁性体A2Cu2Mo3O12 (A=Rb, Cs)の多周波ESR2015

    • 著者名/発表者名
      吉澤大智
    • 学会等名
      第54回電子スピンサイエンス学会年会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ,新潟
    • 年月日
      2015-11-02 – 2015-11-04
  • [学会発表] Superconducting Properties of Non-magnetic Anion Based Organic Superconductor λ-(BETS)2GaCl4 Studied by muSR2015

    • 著者名/発表者名
      D. P. Sari
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] Investigations of Magnetically Ordered States in Pyrochlore Iridates, R2Ir2O7 (R = Nd, Sm) Probed by muSR2015

    • 著者名/発表者名
      R. Asih
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] ソーダライト中のアルカリ金属クラスターにおけるモット絶縁体-バイポーラロン絶縁体転移2015

    • 著者名/発表者名
      中野岳仁
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] ゼオライトLSX 中のNa-K 合金クラスターが示すフェリ磁性のHe による圧力効果III2015

    • 著者名/発表者名
      岸本亮三
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] 擬一次元反強磁 性体SrCo2V2O8の強磁場磁性2015

    • 著者名/発表者名
      奥谷顕
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] 擬一次元フラ ストレート磁性体Rb2Cu2Mo3O12の多周波ESR2015

    • 著者名/発表者名
      吉澤大智
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] 二次元三角格子反強磁性体Ag2CrO2の磁気輸送現象2015

    • 著者名/発表者名
      木田孝則
    • 学会等名
      日本物理学会2015 年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] ESR study of heavily Na-doped low-silica X zeolite near the insulator-to-metal transition2015

    • 著者名/発表者名
      T. Nakano
    • 学会等名
      20th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Barcelona, Spain
    • 年月日
      2015-07-05 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetism and insulator-to-metal transition of strongly correlated polarons in alkali-metal loaded zeolites2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Nozue
    • 学会等名
      20th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Barcelona, Spain
    • 年月日
      2015-07-05 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic properties of sigle crystals of the S=2 quasi-1D Heisenberg antiferromagnet MnCl3(bpy)2015

    • 著者名/発表者名
      M. Hagiwara
    • 学会等名
      20th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Barcelona, Spain
    • 年月日
      2015-07-05 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Transport properties of a metallic two-dimensional triangular antiferromagnet Ag2CrO22015

    • 著者名/発表者名
      T. Kida
    • 学会等名
      20th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Barcelona, Spain
    • 年月日
      2015-07-05 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] High field magnetization measurements on single crystals of the S=1/2 quasi-1D Ising-like Antiferromagnet SrCo2V2O82015

    • 著者名/発表者名
      A. Okutani
    • 学会等名
      20th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Barcelona, Spain
    • 年月日
      2015-07-05 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] muSR study on the phase transition from antiferromagnetic Mott-insulator to non-magnetic metal in K-Rb alloy and Rb clusters in sodalit2015

    • 著者名/発表者名
      T. Nakano
    • 学会等名
      20th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Barcelona, Spain
    • 年月日
      2015-07-05 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetism and insulator-to-metal transition of s-electrons confined in the regular nanospace of zeolites2015

    • 著者名/発表者名
      T. Nakano
    • 学会等名
      International Conference on Nanospace Materials
    • 発表場所
      Taipei, Taiwan
    • 年月日
      2015-06-23 – 2015-06-23
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Insulator-to-metal transition and magnetism of strongly correlated polarons in alkali-metal loaded zeolites2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Nozue
    • 学会等名
      18th International Symposium on Intercalation Compounds
    • 発表場所
      Strasbourg, France
    • 年月日
      2015-05-31 – 2015-06-04
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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