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2014 年度 実施状況報告書

スピングラス量子臨界物質の探索とその量子臨界現象の研究

研究課題

研究課題/領域番号 26400347
研究機関東北大学

研究代表者

李 徳新  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40281985)

研究分担者 本間 佳哉  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00260448)
山村 朝雄  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20281983)
青木 大  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30359541)
本多 史憲  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (90391268)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードスピングラス / 量子臨界状態 / フラストレーション効果 / f電子系化合物
研究実績の概要

NMAD(nomagnetic atom disorder)構造を持つ4fあるいは5f電子系化合物は、フラストレーションや近藤効果とRKKY相互作用との競合によって特異な磁性が観測される。磁場や圧力、元素(組成)置換など外場により、その競合効果の制御は容易であり、長距離磁気秩序やスピングラス、量子臨界点など電子状態を連続的に変えていくことが可能である。本研究は、NMAD構造を持つUとCe化合物を主なターゲットにして、外場の制御により、スピングラス現象の誘起・消失の制御を実現すると共に、絶対零度でスピングラス相転移が起こるいわゆるスピングラス量子臨界物質を探索する。さらに、スピングラス量子臨界物質特有な新奇臨界磁性の発見と機構解明を目指す。
本研究では、既に多数の三元系ウランおよび希土類化合物のスピングラス(クラスターグラス)効果を観測した。U2PdSi3はそれらの典型物質である。平成26年度中、元素(組成)の制御効果を調べるために、我々はいくつかのU2Pd1+xSi3-x系化合物を合成し、7Tまでの低温磁化、磁場中冷却(FC)とゼロ磁場中冷却(ZFC)DC磁化率の温度変化、磁気緩和、磁気メモリー効果、AC磁化率の周波数依存性など特徴的な物性を測定した。その結果、すべての試料にスピングラス(クラスターグラス)挙動が現れ、著しいフラストレーション効果の存在が確認された。AC磁化率の解析により、スピングラス状態を評価する動力学パラメーターは元素の仕込み量により規則的に変化する。特に、スピングラス転移温度(Tsg)がSi=0.3の20.7KからSi=-0.3の3.3Kまで降下する。x=0.4ではスピングラス転移は1.8 Kまで観測されておらず、その近傍でTsgは絶対零度まで降下する可能性が高い。現在、自作した(青木教授)常磁性塩断熱消磁冷却ピル(ADR)とカンタムデザイン社製PPMSの組合せ及びデバッギング作業を進めており、100 mK以下の極低温の物性測定を準備している。

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

NMAD構造を持つUとCe化合物を主なターゲットにして、外場(磁場、圧力、元素置換)の制御により、スピングラス現象の誘起・消失の制御の実現および絶対零度でスピングラス相転移が起こるいわゆるスピングラス量子臨界物質の探索、さらに、スピングラス量子臨界物質特有な新奇臨界磁性の発見が本研究の目的である。現在まで、U2Pd1-xSi3+x系の9個多結晶試料すでに作成し、1.8Kまでの基礎物性の測定がほぼ完成した。スピングラス状態の形成を確認し、元素(組成)制御によってこの系のスピングラス状態が規則的に変化することを明らかにし、量子臨界状態を達成する可能性が高い元素組成を見つけた。また、新規物質として、多数2:3:5系および1:1:1系ウラン金属間化合物の単結晶あるいは多結晶を育成し、基礎物性の測定を行った。そのなかに、U2Ru3Ge5などフラストレーション効果を示す化合物を発見した。詳細な構造解析および物性分析が進行中である。
一方、実験装置の整備も進んでいる。大洗センターはPPMS物性測定装置の購入資金を確保しており、H27年度秋に配置することを決定した。PPMSと常磁性塩断熱消磁冷却ピル(ADR)を組合せて、100 mK以下の極低温の物性測定が可能になる。現在、計画通り研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

新物質の開発、特にスピングラス量子臨界物質の発見は、とにかく多数の高品質試料の育成を試みるということが必要不可欠である。現在までの研究進展をふまえて、H27年度以後にU2T1-xX3+xとCe2T1-xX3+x(T=遷移金属; X=Si, Ga, Ge)系未知物質の探索と既知物質の単結晶育成に挑戦する。磁場や圧力など外場を変化させ、各物理条件下で得られた結晶の電気抵抗、比熱、AC/DC磁化率など基礎物性を極低温まで測定する。特に、交流磁化率の動力学解析を行い、スピングラス転移温度、動力学臨界指数、平均励起エネルギーなどスピンフラストレーション状態を特徴づけるパラメーターを決める。また、量子臨界状態を達成する有望な物質に対して、その量子臨界点近傍での電気抵抗や比熱、磁化率の温度依存性、電子比熱係数などを求め、外場制御によってスピングラス磁気秩序状態から非磁性状態への移行、さらに、スピングラス量子臨界状態の誘起過程を観測する。スピングラス量子臨界物質の探索と共に、その量子臨界点近傍で新たな磁気挙動の発見を目指す。ウランは放射性物質であるため、試料の調製や測定準備など試料の取り扱い作業の安全性を十分配慮しながら、四つの過程(物質探索と結晶育成、試料の品質評価、物性測定、データ解析・物性考察)を通じて研究を推進する。

次年度使用額が生じた理由

低温物性測定用液体ヘリウムとヘリウムガスの一部は大洗センターの運営費で購入したので、科研費の使用額は10万円程度減った。

次年度使用額の使用計画

試料作製用貴金属の購入費として、H27年度中使用する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (10件)

  • [雑誌論文] Large Cyclotron Effective Mass detected by de Haas-van Alphen effect in YbCu2Si22015

    • 著者名/発表者名
      Dai Aoki, Fuminori Honda, Yoshiya Homma Dexin Li, Rikio Settai, Hisatomo Harima, and Yoshichika Onuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 84 ページ: 035002 1-2

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.035002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single crystal growth and magnetic properties of RCu9Sn4 (R:rare earth metals)2015

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Hirose, Shun Tomaru, Shoko Sato, Shunpei Ota, Shuhei Kurahashi, Tetsuya, Takeuchi, Fuminori Honda, Yoshiya Homma, Dexin Li, Dai Aoki, Rikio Settai
    • 雑誌名

      J. Phys.: Conf. Sec.

      巻: 592 ページ: 012034 1-6

    • DOI

      doi:10.1088/1742-6596/592/1/012034

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Large reversible magnetocaloric effect in ferromagnetic semiconductor EuS2014

    • 著者名/発表者名
      D. X. Li, T. Yamamura, S. Nimori, Y. Homma, F. Honda, Y. Haga and D. Aoki
    • 雑誌名

      Solid State Communs.

      巻: 193 ページ: 6-10

    • 査読あり
  • [学会発表] RPt2Cd20(R = Rare Earth)の単結晶育成と電子状態の研究2015

    • 著者名/発表者名
      土塔寛,広瀬雄介,本多史憲,李徳新,青木大,摂待力生
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学 早稲田キャンパス
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] CeCu9Sn4及び関連物質の単結晶育成と磁性2015

    • 著者名/発表者名
      佐藤翔子,広瀬雄介,都丸駿,太田俊平,倉橋秀平,竹内徹也,本多史憲,本間佳哉,李徳新,青木大,松林和幸,上床美也,芳賀芳範,摂待力生
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学 早稲田キャンパス
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] 新規ウラン化合物U2Rh3Ge5における磁気的性2015

    • 著者名/発表者名
      李徳新,本間佳哉,本多史憲,山村朝雄,青木大
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学 早稲田キャンパス
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] URh1-xFexGeの57Feメスバウアー分光2015

    • 著者名/発表者名
      本間佳哉,李徳新,本多史憲,青木大
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学 早稲田キャンパス
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [学会発表] Single crystal growth and electronic state of RT2X202014

    • 著者名/発表者名
      Y. Hirose, S. Tomaru, H. Doto, S. Ota, F. Honda, D. X. Li, Y. Homma, D. Aoki and R. Settai
    • 学会等名
      International Symposium on Utilization of Research Reactors for Material Studies
    • 発表場所
      Sendai, Institute for Materials Research
    • 年月日
      2014-12-11 – 2014-12-12
  • [学会発表] RCu9Sn4 ( R:希土類元素 ) の磁性と結晶場効果2014

    • 著者名/発表者名
      都丸駿,広瀬雄介,太田俊平,倉橋秀平,佐藤翔子,竹内徹也,本多史憲,本間佳哉,李徳新,青木大,摂待力生
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] CePt2In7のde Haas-van Alphen効果と強磁場物性2014

    • 著者名/発表者名
      太田俊平,倉橋秀平,都丸駿,広瀬雄介,本多史憲,李徳新,青木大,三宅厚志,徳永将史,Albin de Muer,Ilya Sheikin,摂待力生
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] (Eu1-xLax)Al4(x=0, 0.2)反磁性体の151Euメスバウアー分光2014

    • 著者名/発表者名
      本間佳哉,李徳新,本多史憲,仲村愛,辺土正人,仲間隆男,大貫惇睦,青木大
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] U2T3X5 (T: Rh, Ir, X: Si, Ge)の高圧下物性2014

    • 著者名/発表者名
      本多史憲,李徳新,本間佳哉,芳賀芳範,青木大
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10
  • [学会発表] U2Ir3Si5単結晶の磁気的性質2014

    • 著者名/発表者名
      李徳新,本間佳哉,本多史憲,山村朝雄,青木大
    • 学会等名
      日本物理学会2014年秋季大会
    • 発表場所
      中部大学春日井キャンパス
    • 年月日
      2014-09-07 – 2014-09-10

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公開日: 2016-05-27  

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