強相関電子系物質の相図におけるパラダイムシフト

－半世紀使われてきたドニアック相図を超えて－

 

　理化学研究所（理研）放射光科学研究センター物理・化学系ビームライン基盤グループの山岡人志客員研究員、富山県立大学工学部教養教育センターの谷田博司准教授、広島大学放射光科学研究所（HiSOR）のアイケ・シュヴィア助教（研究当時）、シブ・クマール助教（研究当時）、有田将司技術専門職員、島田賢也教授（同大学放射光科学研究所所長）、関西学院大学の山本義哉大学院生（研究当時）、水木純一郎教授、高知大学の田島史郎大学院生（研究当時）、小野寺健太大学院生（研究当時）、西岡孝教授らの国際共同研究グループは、奇妙な異方性（磁気秩序が磁化の起こりやすい方向に起きない）を備えた反強磁性秩序^[1]を示す近藤半導体^[2]Ce(Ru_1-xRh_x)₂Al₁₀において、伝導電子とセリウム（Ce）が持つ4f電子^[3]との結合（c-f混成^[4]）の異方性を考慮した新しい相図^[5]を提案しました。

　本研究で得られた知見は、強相関電子系化合物の特徴を記述する最も基本的かつ象徴的な概念を、実験結果に基づき質的に拡張したものです。強相関電子系化合物が示す多様な性質の理解を深化させ、現象の統一的な理解、新たな物質開拓と理論研究の指針を与えます。元をたどれば電子の粒子性・波動性といった量子力学の基本原理に深く関わる概念であることから、本知見のインパクトは物性物理にとどまらず、広く波及し、基礎・応用を含む幅広い分野で活用されることが期待されます。

 

　本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版（2025年12月24日付）に掲載されました。

 

	新たに提案した異方的c-f混成を扱う高次元の相図

 

【プレスリリース】強相関電子系物質の相図におけるパラダイムシフト[PDF：1.03MB]

 

[1] 反強磁性秩序

隣り合う電子のスピンが互いに反対向きに整列し、全体では磁化の出ない状態（スピンは、量子力学的性質で上向きか下向きの状態しか取れない。スピンの向きがそろうと磁石になる）。

 

[2] 近藤半導体

強い電子相関により低温でエネルギーギャップを生じ、半導体的振る舞いを示す物質群。ギャップの大きい場合は近藤絶縁体と呼ばれる。「近藤」という名称は、この性質の起源と密接に関係する「金属の電気抵抗極小現象」の謎を世界で初めて解明した日本人物理学者、近藤淳（こんどうじゅん）博士の名前に由来する。物理学の世界で、日本人の個人名が冠された物理現象として有名なものの一つ。

 

[3] 4f電子

電子の取り得る軌道のうち、軌道角運動量がL=3の状態の軌道を占める電子。セリウム（Ce）などの希土類元素では、空間的に非常に原子核に近い軌道にある4f電子が不対電子となり、磁性を担う。

 

[4] c-f混成

伝導電子（conduction electron）とf電子（f-electron）とが混ざり合う効果や、混ざり合った状態、あるいは単に伝導電子とf電子との相互作用などを指す。磁気秩序、近藤効果、重い電子状態などのさまざまな現象は、これに端を発する。

 

[5] 相図

温度、圧力、組成などの関数として物質がどのような相・状態にいるのかを示す状態図。

 

 

＜タイトル＞

Itinerant to localized heavy electron magnetism in Ce(Ru_1-xRh_x)₂Al₁₀: a direction-dependent phase diagram beyond the Doniach phase diagram

＜著者名＞

Hitoshi Yamaoka, Hiroshi Tanida, Eike F. Schwier, Yoshiya Yamamoto, Shiv Kumar, Masashi Arita, Kenya Shimada, Fumisato Tajima, Renta Onodera, Takashi Nishioka, Hirofumi Ishii, Nozomu Hiraoka, and Jun’ichiro Mizuki

＜雑誌＞

Physical Review Letters

＜DOI＞

10.1103/hdcf-dycj