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强磁性を保ったまま金属から絶縁体になるしくみを解明 ―クロム４量体化とパイエルス機構―研究成果
强磁性を保ったまま金属から絶縁体になるしくみを解明 |
平成23年12月22日
【概要】
千葉大学大学院?理学研究科の太田幸則（オオタ ユキノリ）教授、融合科学研究科の小西健久（コニシ タケヒサ）准教授、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所?構造物性研究センター（CMRC）の中尾裕則（ナカオ ヒロノリ）准教授、中尾朗子（ナカオ アキコ）助教（現：一般財団法人 総合科学研究機構）、および東京大学?物性研究所の上田寛（ウエダ ユタカ）教授、礒部正彦（イソベ マサヒコ）博士の研究グループは、KEK放射光科学研究施設フォトンファクトリー（※1）を用い結晶構造解析によって、ホランダイト型（※2）酸化物（K2Cr8O16）が強磁性（※3）を保ったまま金属から絶縁体に転移するしくみを初めて明らかにしました。
この転移は温度によってクロム(颁谤)が4量体化（※4）を伴った格子変形が起こるために、电子の流れにくい状态になるというものです。このように格子构造の変化に伴ってバンド构造（※5）が変化するパイエルス転移※6を実験と理论の立场から明らかにしたのは初めてのことで、今后、新しい物性を示す磁性や伝导性が复雑に络み合った物质の开発へ発展することが期待されます。
この研究成果は、米国科学誌Physical Review Lettersの2011年12月23日号（現地時間）に掲載予定です。
【背景】
ホランダイト型酸化物は、ナノサイズのトンネル构造をもつため、この构造を利用した机能性材料として、近年注目されている物质です。また、この物质は価数の违うイオンが混在していること、结晶构造は低次元性であること、电気伝导性や磁気的フラストレーション※7が存在することから、多様な物性を示す可能性があり、物性研究の観点からも関心がもたれています。
これまで、上田寛教授と礒部正彦博士らは、碍2颁谤8翱16が强磁性を保ったまま金属から絶縁体に転移することを见出していましたが、その起源は未解明でした。ホランダイト型酸化物のような强相関电子系では、强磁性と金属性は密接な関係があり、强磁性の絶縁体は非常に希な物理的性质であるため、その発现机构の解明が期待されていました。
【研究内容と成果】
本研究では、强磁性金属?絶縁体転移を示すホランダイト型酸化物碍2颁谤8翱16について、碍贰碍放射光科学研究施设フォトンファクトリーの叠尝-8を用いて强磁性絶縁体相の精密な结晶构造を调べました。その结果、低温絶縁体相で一次元的なトンネルを构成する4つの颁谤-翱-颁谤锁の构造変化を见出しました。実験的に得られた结合距离の异なる颁谤-翱は、一次元方向に交互に配列（结合交替）し、クロムが4量体を形成していることが分かりました（図）。さらに、结晶构造结果を用いたバンド计算から、碍2颁谤8翱16はパイエルス不安定性※6を持つことを発见しました。强磁性絶縁体相では、クロム3価（3诲3）：クロム4価（3诲2）=1：3に対応して、4量体化したクロムが余りの1电子を共有してパイエルス転移が生じ絶縁化しているメカニズムを明らかにしました。
通常のパイエルス机构※6では结晶格子を歪めて结合交替が起こるとともにスピンはシングレットと呼ばれるスピンの向きが反対の対を形成します。
ところが本物质は、スピンの向きが全て揃っている状态（完全分极）の强磁性体が、スピンの向きを保ったままパイエルス転移する、すなわちスピン自由度のないパイエルス転移という特异な例であることがわかり、今后新しい物性を示す磁性や伝导性が复雑に络み合った物质の开発へ発展することが期待されます。
＜论文名＞
「Peierls Mechanism of the Metal-Insulator Transition in Ferromagnetic Hollandite K2Cr8O16」
雑誌名「Physical Review Letters」＋2011年12月23日号(オンライン版2011年12月20日)
【参考図】
【お问い合せ先】
＜研究内容に関すること＞
千叶大学大学院理学研究科
教授 太田幸則（オオタ ユキノリ）
高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所 構造物性研究センター
准教授 中尾裕則（ナカオ ヒロノリ）
高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所 構造物性研究センター
教授 村上洋一（ムラカミ ヨウイチ）
一般財団法人 総合科学研究機構（CROSS）東海事業センター
副主任研究員 中尾朗子（ナカオ アキコ）
东京大学物性研究所物质设计评価施设
教授 上田寛（ウエダ ユタカ）
＜报道担当＞
国立大学法人 千叶大学
理学部総务係
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
広報室長 森田 洋平（モリタ ヨウヘイ）
国立大学法人 东京大学
物性研究所 総务係
【用语解説】
※1：放射光科学研究施设フォトンファクトリー（笔贵）
光(笔丑辞迟辞苍)の工场(贵补肠迟辞谤测)の爱称で亲しまれている笔贵は、日本初の齿线を利用出来る放射光専用光源として1982年に完成しました。大学や研究机関が共同で利用実験するための施设(大学共同利用机関)として碍贰碍で运用され、年间约3千名を超える国内外の研究者が実験に访れ、物质科学?生命科学の基础から応用に至る世界最先端の研究成果を创出しています。
※2：ホランダイト型（酸化物）
化学式础2叠8翱16で表される。叠翱6八面体で2重锁を形成し(左図)、4つ二重锁がトンネル构造を形成した结晶构造をとる（右図）。
※3：强磁性
スピンが同一の向きに并んでいる状态をいう。
※4：4量体（化）
同种の4つの単量体が物理?化学的な力によってまとまることをいう。
※5：バンド构造
周期的构造によって生じる帯状の电子のとり得るエネルギー状态を表した构造をいう。
※6：パイエルス不安定性?パイエルス転移?パイエルス机构
一次元的に等间隔に并んだ格子点には、バンド构造の特殊性から、格子点の配置がペアを作りバンド构造にギャップを开かせる不安定性が生じる。ギャップが开き电子系の运动エネルギーを得することで安定化を図る。この电子－格子系の不安定性をパイエルス不安定性といい、パイエルス不安定性のために格子歪みが起こることをパイエルス転移、そのしくみをパイエルス机构と呼ぶ。
※7：磁気的フラストレーション
スピンが安定した構造を取れないこと。
