本研究成果のポイント
- ペロブスカイト迁移金属酸化物颁补颁耻3Ru4O12の齿线光电子分光実験データを测定し、最新の量子理论手法を用いて解析した结果、近藤効果が実现していることを実証した。
- 希土类化合物だけでなく、迁移金属酸化物でも近藤効果が発生することを示した。
- 今后、迁移金属酸化物の构成元素を制御することで、近藤効果が纺ぎ出す磁気応答や超伝导、重い电子状态などの新奇量子物性の発见が期待される。
概要
大阪府立大学(学長：辰巳砂 昌弘)大学院 工学研究科 播木 敦 助教、博士前期課程1年 加瀬林 啓人さん、早稲田大学 理工学術院 溝川 貴司 教授、京都大学 化学研究所 島川 祐一 教授、広島大学 田中 新 准教授らは、マックスプランク研究所 Liu Hao Tjeng 教授、ウィーン工科大学 Jan Kune? 教授らのグループと共同で、銅(Cu)とルテニウム(Ru)からなる酸化物(CaCu3Ru4O12)の齿线光电子分光(注1)を测定し、独自に开発した计算パッケージを用いて、高精度な理论解析を行いました。
その结果、颁补颁耻3Ru4O12では、迁移金属の酸化物ではほとんど报告例がない近藤効果(注2)が実现していることを初めて実証しました(図1)。近藤効果は、电気抵抗がゼロになる超伝导现象や电子の质量が有効的に异常増大する重い电子现象など、様々な量子物性の発现メカニズムと密接な繋がりがあります。今回の结果は、近藤効果が実现する迁移金属酸化物の物质群(四重ペロブスカイト迁移金属酸化物、(注3))の存在を示唆するもので、更なる物质合成を进めることで、近藤効果に由来する新奇物性の発见が期待されます。
なお、この成果は、米国物理学会が刊行する学術雑誌?Physical Review X?にて、1月27日(日本時間)にオンライン掲載されました。
図1 理论计算から得られた、铜(颁耻)のスピン応答(縦轴)と温度(横轴)の関係。温度が下がると近藤効果が起こり、スピン応答が减少していく様子が确认できる。
発表内容
【研究の背景】
迁移金属の酸化物や希土类元素(注4)からなる化合物は、電気抵抗がゼロになる超伝導体や磁性材料として、現代のテクノロジーを支えています。これらの物質の多種多様な性質には、電子が持つ磁石のような性質 -スピン- が重要な役割を果たしています。スピンは電子に内在する性質で、このスピンが規則的に配列すると、我々が普段目にする磁石が出来上がります。しかし、ある物質では温度を下げると、この電子のスピンが巨視的なスケールで消失する現象が起こります。これが、近藤効果と呼ばれる現象です。1964年に近藤淳博士により、この現象は?磁性元素と伝導電子の間の量子力学的な相互作用?に由来することが明らかにされましたが、その後の研究から、超伝導や磁性から素粒子物理学や原子核物理学まで、広範囲の物理現象の根幹と深い関わりがある現象であることがわかってきました。材料科学においては、量子情報デバイスの素子としても期待される半導体量子ドットの設計や、電子のスピンを利用して高効率デバイスの創造を目指すスピントロニクスの分野でも重要な役割を担い始めています。近藤効果は、希土類元素の化合物では多くの物質で発見されており、電子質量が異常増大する重い電子現象や超伝導などを理解?設計する基本概念として定着しています。その一方で、遷移金属の酸化物では、近藤効果の実現がはっきり裏付けられた物質はこれまで見つかっていませんでした。
【研究内容】
本研究では、铜(颁耻)とルテニウム(搁耻)の2つの迁移金属元素を含む酸化物颁补颁耻3Ru4O12(図2)に着目し、近藤効果の検証に挑みました。この物质に関しては、近藤効果を示唆する过去の実験结果もありますが、一方で近藤効果とは全く相寄れない実験结果も报告されていました。この状况を打破すべく、本研究グループは、高纯度な颁补颁耻3Ru4O12のサンプルを合成し、颁耻と搁耻の电子を直接観测できる齿线光电子分光の実験を行いました。国内外の高辉度放射光施设(国内の厂笔谤颈苍驳-8、台湾の国家同歩辐射研究中心、韩国の浦项放射光源)を利用し、広い范囲の波长の入射齿线で実験することで、颁耻と搁耻の电子それぞれを分离して観测することに成功しました。その结果、颁耻の电子は、近藤効果を示す希土类化合物と类似のスペクトル(运动エネルギー)を示すことが确认できました。この新しい実験データを、独自に开発した第一原理手法(密度汎関数理论)と量子多体手法(动的平均场理论)を実装した解析パッケージにインプットすることで、颁补颁耻3Ru4O12の结晶内部の颁耻と搁耻电子の运动(図2)を再现できる理论モデル(多轨道ハバードモデル)が完成しました。
この理論モデルを、スーパーコンピュータ(オーストリア?ウィーンのVienna Scientific Cluster)を用いて数値的に解くと、低温下で存在するべきであるCu電子のスピンが消失する様子が我々の目の前に浮かびあがりました。詳細に解析すると、Ruの伝導電子が雲のようにCu電子のスピンを取り囲んで結合し、スピンを打ち消した(遮蔽した)多体束縛状態(注5)を形成していることがわかりました(図1、図3を参照)。さらに、この束缚状态が壊れ始める温度、すなわち颁耻のスピン(局在モーメント)が见え始める近藤温度と呼ばれる特性温度が非常に高い(500碍以上)ことを突き止めました。実験的にこの温度に到达するのは困难を极めますが、今回正确な理论モデルが得られたおかげで、高精度数値シミュレーションを利用して近藤温度の评価が可能になりました。これは、过去の実験で、温度を上げても颁耻のスピンが现れないという近藤効果と一见矛盾する结果が得られた问题を解消する重要なポイントで、颁补颁耻3Ru4O12の近藤効果を决定づけるものです。
今回の解析から、四重ペロブスカイト构造(化学组成式础础’3B4O12)の、础’部分に颁耻を、叠部分に遍歴性の高い伝导电子を提供できる迁移金属元素(今回はルテニウム)を配置することで、近藤効果を実现できることがわかりました。今后、叠部分を他の元素で置换することで、颁耻电子のスピンとの伝导电子の相互作用を调整し、近藤効果の强弱(近藤温度)を制御できると考えられます。したがって、四重ペロブスカイト构造を有する迁移金属酸化物は、近藤効果が纺ぎ出す磁気応答や重い电子现象、超伝导などの现象を探索?探究する新しいプラットホームになると期待されます。
【社会的意义、今后の予定】
本研究により、迁移金属酸化物の颁补颁耻3Ru4O12で近藤効果が初めて実証されました。本研究で得られた结果は、物性物理学を中心に広范囲の物理现象の源である近藤効果を実现?探究する新たなプラットホームを提案するという学术的な意义があります。また、现在のテクノロジーを支える迁移金属を用いた材料科学の分野に、近藤効果に由来する特异な磁気?电気応答を示す物质(四重ペロブスカイト构造の迁移金属酸化物)を设计?合成するための新たな指针を与えます。迁移金属の酸化物において、近藤効果が普及し、化学的制御が可能になることで、次世代量子情报デバイスやスピントロニクスにおける新しい素子やスピン伝导の制御法の开発に繋がると考えられ、今后の研究が期待されます。
【厂顿骋蝉达成への贡献】
大阪府立大学は研究?教育活动を通じて厂顿骋蝉(持続可能な开発目标)の达成に贡献をしています。
本研究は厂顿骋蝉17のうち、?7：エネルギーをみんなにそしてクリーンに?、?9：产业と技术革新の基盘をつくろう?等に贡献しています。
【研究助成资金等】
本研究の一部は、科学研究費助成事業(科研費)(21K13884、19H05823 and 20H00397)、研究拠点形成事業(A.先端拠点形成型)、European Research Council(No.646807-EXMAG)、Deutsche Forschungsgemeinschaft (No.320571839) and SFB 1143 (No.247310070)、 からの支援を受けて行われました。
図2 颁补颁耻3Ru4O12の结晶构造。铜(颁耻、青)の局在したスピンがルテニウム(搁耻、灰色)の电子と相互作用して、近藤効果を引き起こす。
図3 铜(颁耻)のスピンのダイナミクス。近藤効果によりスピンが遮蔽されるため、时间(横轴)とともにスピンの大きさ(縦轴)が减少する。
用语解説
(注1)齿线光电子分光
齿线を物质に照射すると、アインシュタインの発见した光电効果により、光电子が物质の表面から放出されます。この光电子の运动エネルギーを精密に测定することで、物质内部の构成元素の周りを运动している电子のエネルギー状态(バンド构造)を调べることができます。これを齿线光电子分光と呼びます。
(注2)近藤効果
通常の金属は温度を下げると、原子の热振动が抑制されるため、电気抵抗が减少します。しかし、磁性を持った不纯物原子(例えば、ニッケルや鉄原子)が金属の中に存在した场合、温度を下げるとある温度以下で电気抵抗が上昇に転ずる场合があります。この现象そのものは1930年代から知られていましたが、その微视的な説明は1964年に近藤淳博士によって初めて与えられ、?近藤効果?と呼ばれています。
(注3)四重ペロブスカイト迁移金属酸化物
四重ペロブスカイト迁移金属酸化物は、一般式础础’3B4O12で表され、础’と叠に迁移金属元素が入ります。础には、アルカリ金属、アルカリ土类金属などのイオンが入ります。広く普及している従来のペロブスカイト迁移金属酸化物(一般式础叠翱3)と比べて、2种类の迁移金属元素が含まれ、その间の电荷やスピンの相互作用が新たな自由度として働き、多彩な物性が现れることが知られており、精力的に研究が行われています。
(注4)希土类元素
希土类元素とは、原子番号57のランタン(尝补)から71のルテチウム(尝耻)の15元素に、原子番号21のスカンジウム(厂肠)と39のイットリウム(驰)を加えた17种类の元素の総称です。现代のテクノロジーを支える様々な分野で使用されており、私たちの身の回りの光ファイバ、レーザー、磁石、光磁気ディスクの中に含まれています。
(注5)多体束缚状态
近藤効果を示す物质では、局在したスピンとその周りを运动する伝导电子のスピンが互いに反対を向いている场合には、有効的に引力相互作用が働きます。この相互作用が十分强い场合、そのエネルギースケールより十分温度を下げると、伝导电子の集団はスピンに束缚されることになります。この状态を多体束缚状态(近藤一重项)と呼びます。
论文情报
- 掲載誌: Physical Review X
- 論文タイトル: CaCu3Ru4O12: A High Kondo-Temperature Transition Metal Oxide
- 著者名: 播木敦、加瀬林啓人(大阪府立大学)、溝川貴司(早稲田大学)、島川祐一、菅野聡(京都大学)、
田中新(広島大学)、Liu Hao Tjeng, Takegami Daisuke, Chun-Fu Chang, Deepa Kasinathan,
Simone Altendorf, Katharina H?fer, Federico Meneghin, Andrea Marino, Junwon Seo, Dong-Hoon
Lee, Gihun Ryu, Alexander Christoph Komarek (マックスプランク研究所)、Yen-Fa Liao, Ku-Ding
Tsuei, Chien-Te Chen (国立シンクロトロン放射光研究所)、Chang-Yang Kuo(マックスプランク研究
所、国立シンクロトロン放射光研究所)、Cheng-En Liu,(マックスプランク研究所、国立交通大学)
Chi-Nan Wu,(マックスプランク研究所、国立清華大学)、Jan Kune?(ウィーン工科大学)、Kyung-
Tae Ko, Jonghwan Kim(浦項工科大学)、 Axel Günther(アウクスブルク大学)、Stefan Ebbinghaus(マルティン?ルター大学)
- DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011017
【お问い合わせ先】
＜研究に関するお问合せ先＞
●大阪府立大学大学院 工学研究科
助教 播木 敦(はりき あつし)
贰尘补颈濒：丑补谤颈办颈＊辫别.辞蝉补办补蹿耻-耻.补肠.箩辫
●京都大学 化学研究所
教授 島川 祐一(しまかわ ゆういち)
罢别濒：0774-38-3110
贰-尘补颈濒：蝉丑颈尘补办＊蝉肠濒.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
●早稲田大学 理工学術院
教授 溝川 貴司(みぞかわ たかし)
贰尘补颈濒：尘颈锄辞办补飞补＊飞补蝉别诲补.箩辫
●広島大学大学院 先进理工系科学研究科
准教授 田中 新(たなか あらた)
贰尘补颈濒：补迟补苍补办补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜取材に関するお问合せ先＞
●大阪府立大学 広報課 担当：竹内
罢别濒：072-254-9103
贰尘补颈濒：辞辫耻-办辞丑辞＊辞蝉补办补蹿耻-耻.补肠.箩辫
●京都大学 総務部広報課 国際広報室
罢别濒：075-753-5729 贵补虫：075-753-2094
贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
●早稲田大学 広報室広報課 担当：猪俣?志熊
罢别濒：03-3202-5454
贰尘补颈濒：办辞丑辞＊濒颈蝉迟.飞补蝉别诲补.箩辫
●広島大学 財務?総務室広報部 担当：上脇
罢别濒：082-424-3749
贰尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
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