Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

軌道自由度 / 揺らぎ / 核生成-核成長 / 一軸歪 / 光誘起現象 / 光誘起相転移 / 電荷自由度 / ゆらぎ / 強相関電子系

遷移金属酸化物におけるd電子の軌道自由度の空間的・時間的な揺らぎによる新奇物性について実験的な研究を行った。その結果、軌道秩序を示すV酸化物において、核生成-核成長プロセスに従う相転移ダイナミクスを見出した他、一軸歪下での光学測定によって、軌道自由度の共役な外場である歪によって軌道相関を制御できることを明らかにした。さらにパルス光照射による軌道秩序の融解において、特徴的な選択則を見出した。

負熱膨張 / ハニカム格子 / 反強磁性体 / 磁気相転移 / 磁気格子結合 / 熱体積効果 / 磁気体積効果 / スピン-格子結合 / 強相関電子系 / モリブデン酸化物 / 軌道自由度 / 多軌道d-pモデル / 逆ペロフスカイト構造 / マンガン窒化物 / フラストレーション / 電子相関 / 磁性 / 格子自由度

２０２１年度の研究では、特異な結晶格子構造と非自明な磁気構造のカップリングに起因する「負熱膨張現象」を示す磁性化合物の理論的な探索・設計を目的に、ハニカム型結晶構造を持つ反強磁性体を対象に、磁性誘起負熱膨張現象の可能性や条件を理論的に調べた。この物質群の結晶構造は、MX6八面体（Mは遷移金属イオン、Xは配位子イオン）の2次元陵共有ネットワークにより構成されており、遷移金属イオンがハニカム格子を形成する。ハニカム格子を持つ反強磁性体は数多くの物質例が知られており、物質探索を行う上で、普遍的かつ典型的な物質群と言うことができる。これらの物質では、上記の特殊な結晶構造のために、遷移金属イオン上にある磁化間に働く相互作用が、異なる結合パスに由来する相反する寄与から構成される。つまり、遷移金属イオン間の直接180度ボンドに起因する反強磁性交換相互作用と、配位子イオンを介した遷移金属イオン間の間接90度ボンドに起因する強磁性交換相互作用である。これらの、二種類の交換相互作用のボンド長依存性を通した磁気-格子結合の効果と、磁気的相互作用、格子の弾性エネルギー項を考慮したハニカム格子上の古典スピン-格子結合モデルを構築し、これを古典モンテカルロ法を用いた解析した。比熱や磁気相関関数、線形体積膨張率などの物理量の温度依存性を調べることで、ある条件下では、温度降下により反強磁性への磁気相転移が起こると同時に、結晶体積が膨張する「反強磁性転移誘起負熱膨張現象」が起こることを発見した。さらに、その物理機構について、あるメカニズムを仮定して計算結果を定量的に再現することで解明することに成功した。上記の成果を、論文にまとめて発表した。また、学会等での成果発表を行った。

励起子絶縁体 / BiCo03 / スピンダイマー模型 / 四重極相 / マルチフェロイクス / 強相関 / 軌道自由度 / 強相関電子系 / 電子相関 / 磁性 / 光物性 / 誘電体物性

[1]強相関拡張された二軌道ハバード模型では、高スピン(HS)相と低スピン(LS)相の間に励起子絶縁体が現れる。この相境界付近で、弱いスピン軌道相互作用を採り入れると、HS相に内在する四重極自由度の揺らぎにより帯磁率が著しく増強されることを明らかにした。
[2][1]の励起子絶縁体の模型において、変分クラスタ法を用いてvertex補正まで取りいれ、光学電導度を計算したところ、励起子絶縁相においては鋭いピークと連続スベクトルという特徴的な構造が得られ、この構造の積分値が励起子の秩序変数でスケールすることから、この相を特徴づける観測量であることを明らかにした。
[3][1]の2軌道ハバード模型の電荷自由度をスピン自由度に読み替えたダイマースピンモデルのうちで、S=1から構成される系において3種類の四重極相を見出し、そのうちフェロネマティック相の比熱の温度依存性に特異なリエントラント現象が生じることを明らかにした。これらの四重極相は[1]の模型の励起子相と読み直すことができる。
[4]励起子絶縁体の候補物質のコバルト酸化物のうち、反強磁性と焦電性を同時に示すマルチフェロイック物質BiCo03に着目し、の第一原理電子状態計算を行った。CoサイトをFeイオンで置換した際の圧電定数の変化を調べたところ、単斜晶構造Bi(Co, Fe)03が大きな圧電定数を示すのは、Co05ピラミッド配位の頂点酸素原子が対称性を下げることなく変位することにより、ピエゾテンソルの非対角項に寄与することが原因であることが分かった。また、スピン軌道相互作用を考慮したバンド計算により、反強磁性磁気空間群の対称性から許されるラシュバ効果を示すことを計算予測した。
[5][4]のBiCo03のスピン軌道相互作用の効果の理解に参考となる有効モデルとして反強磁性絶縁体の一般化モデルを考案し、擬スピン描像を用いて系の性質をその詳細によらず解析的に明らかにする方法論を開発した。2種類のマグノン(擬スピン自由度)が混成して熱ホール効果やスピンテクスチャを生じる機構として、過去に知られていたスピン軌道相互作用以外に、Kitaev相互作用を含め、多くの空間的に反対称な相互作用が新たに加わることを明らかにした。

軌道自由度 / 強相関電子系 / 光電子分光 / 超伝導

本研究では、放射光や放電管光源に加え、高分解能、偏光制御、時間分解測定が可能となるレーザー光電子分光を駆使して、多軌道系の特異な電子状態(金属絶縁体転移、超伝導、量子臨界性、磁気秩序、スピン軌道相互作用によるスピン分裂など)の詳細な電子構造を明らかにし、その電子凝縮や異常物性のメカニズムを解明した。

強相関電子系 / フラストレーション / 量子反強磁性 / 軌道秩序 / スピネル / パイロクロア格子 / カゴメ格子 / パイクロア格子 / 多バンドハバード模型 / 幾何学フラストレーション / 軌道自由度 / 磁性体 / 動的平均場 / 重い電子系

本研究計画においてはフラストレートした構造を持つ磁性体、特にパイロクロア格子とカゴメ格子を中心として、フラストレーションがどのように強相関効果に影響を及ぼすのかという問題を理論的に研究し、新奇な量子相の発見とその性質の解明を目指した。
パイロクロア格子上の量子ハイゼンベルグスピン系を量子極限(S=1/2)と半古典極限(S→∞)の両極限でその基底状態を調べ、新奇な量子液体状態の可能性を探った。特にS=1/2の場合には基底状態は、2種類のダイマーまたは4量体が共存する状態であることを示した。
次にLiV_2O_4における重い電子系的振舞いを明らかにするため、パイロクロア格子上の軌道縮退を取入れたハバード模型を考察した。その結果、スピンと軌道の結合した自由度が実空間で非常に局在して揺らぎが増強していることを意味しており、実験における近藤効果的な振舞いの説明になり得ることを示した。
フラストレーションがある場合の電子相関効果を乱雑位相近似を超えて調べるため、カゴメ格子上の単一バンドハバード模型をhalf fillingの場合にFLEX近似によって研究した。フラストレーションが強い極限では磁気的不安定性が大幅に抑制され、また、それに伴って電子の運動がコヒーレンスを回復し、金属相が安定化されることがわかった。
フラストレートした系の大きな特徴の一つである局在した磁気励起の影響を調べるため、飽和磁場付近の熱力学を研究した。低温の有効モデルの厳密な熱力学関数の計算に成功し、相図と転移の臨界指数を決定した。

【研究分担者】
奥田哲治	鹿児島大学	理工学域工学系	准教授	(Kakenデータベース)
溝川貴司	早稲田大学	理工学術院	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
勝藤拓郎	早稲田大学	理工学術院	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
山内邦彦	大阪大学	産業科学研究所	助教	(Kakenデータベース)
堀田知佐	東京大学	大学院総合文化研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
求幸年	筑波大学	物質工学系	助手	(Kakenデータベース)