千葉大と東大など、ホランダイト型酸化物が強磁性を保ったまま金属から絶縁体になるしくみを解明

強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―


【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（Ｃｒ）が４量体化（※４）を伴った格子変形が起こるために、電子の流れにくい状態になるというものです。このように格子構造の変化に伴ってバンド構造（※５）が変化するパイエルス転移（※６）を実験と理論の立場から明らかにしたのは初めてのことで、今後、新しい物性を示す磁性や伝導性が複雑に絡み合った物質の開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構造をもつため、この構造を利用した機能性材料として、近年注目されている物質です。また、この物質は価数の違うイオンが混在していること、結晶構造は低次元性であること、電気伝導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、Ｋ２Ｃｒ８Ｏ１６が強磁性を保ったまま金属から絶縁体に転移することを見出していましたが、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強相関電子系では、強磁性と金属性は密接な関係があり、強磁性の絶縁体は非常に希な物理的性質であるため、その発現機構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、強磁性金属・絶縁体転移を示すホランダイト型酸化物Ｋ２Ｃｒ８Ｏ１６について、ＫＥＫ放射光科学研究施設フォトンファクトリーのＢＬ−８を用いて強磁性絶縁体相の精密な結晶構造を調べました。その結果、低温絶縁体相で一次元的なトンネルを構成する４つのＣｒ−Ｏ−Ｃｒ鎖の構造変化を見出しました。実験的に得られた結合距離の異なるＣｒ−Ｏは、一次元方向に交互に配列（結合交替）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、結晶構造結果を用いたバンド計算から、Ｋ２Ｃｒ８Ｏ１６はパイエルス不安定性（※６）を持つことを発見しました。強磁性絶縁体相では、クロム３価（３ｄ３）：クロム４価（３ｄ２）＝１：３に対応して、４量体化したクロムが余りの１電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。
　通常のパイエルス機構（※６）では結晶格子を歪めて結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。
ところが本物質は、スピンの向きが全て揃っている状態（完全分極）の強磁性体が、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異な例であることがわかり、今後新しい物性を示す磁性や伝導性が複雑に絡み合った物質の開発へ発展することが期待されます。

＜論文名＞
　「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、用語解説は添付の関連資料を参照


【お問い合せ先】
＜研究内容に関すること＞
　千葉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）

　東京大学物性研究所物質設計評価施設
　教授　上田寛（ウエダ　ユタカ）