5d電子系イリジウム酸化物における新奇な絶縁体と超伝導(最近の研究から)

DOI Web Site
  • 渡部 洋
    理化学研究所創発物性科学研究センター
  • 白川 知功
    理化学研究所
  • 柚木 清司
    理化学研究所創発物性科学研究センター:理化学研究所計算科学研究機構

書誌事項

タイトル別名
  • Novel Insulator and Superconductivity in a 5d Electron System of Iridium Oxides(Research)
  • 最近の研究から 5d電子系イリジウム酸化物における新奇な絶縁体と超伝導
  • サイキン ノ ケンキュウ カラ 5d デンシケイ イリジウム サンカブツ ニ オケル シンキ ナ ゼツエンタイ ト チョウデンドウ

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抄録

固体中の電子は原子核,結晶格子,自身以外の周囲の電子など多くの相手と相互作用をしながら運動し,各物質に特有な性質を産み出している.これらの相互作用の一つである「スピン軌道相互作用」は相対論的な効果を起源とし,量子力学初期の段階から知られているが,近年その重要性に大きな注目が集まっている.スピン軌道相互作用がもたらす効果は枚挙に暇が無く,エネルギーバンド構造の変化や磁気異方性をもたらすことはもちろん,トポロジカル絶縁体,(交換相互作用の異方性に起因する)量子スピン液体,マルチフェロイクスといった新しい概念さえも産み出すことが分かってきた.特に近年の大型シンクロトロンを用いたX線散乱の実験技術の向上によってスピンと軌道の結合の詳細が明らかになりつつあり,基礎・応用の両面から注目を集めている.スピン軌道相互作用が無視出来ない場合は,軌道角運動量Lとスピン角運動量Sがもはや良い量子数では無くなり,両者を合成した全角運動量が良い量子数となる.通常,全角運動量はJ=L+Sと表されるが,本稿で紹介する5d電子系イリジウム酸化物ではJ_<eff>=-L+Sを良い量子数とする特異な状態が実現しており,新たな強相関電子系の舞台として注目を集めている.本稿では5d電子系イリジウム酸化物の例として層状ペロブスカイト型構造を持つSr_2IrO_4を取り上げ,これまでの研究の現状について紹介する.この物質は特殊な磁気構造を持つ絶縁体であるが,従来のモット絶縁体の描像では説明出来ず,その電子状態の解明は長年の問題となっていた.我々はこの問題に対し,複数の計算手法を用いてSr_2IrO_4をモデル化した3軌道ハバード模型を解析した.その結果,この物質はJ_<eff>=-L+Sを良い量子数とし,クーロン相互作用とスピン軌道相互作用が協力的に働くことで実現する特異な絶縁体であることを示した.また,電子間のクーロン相互作用が電子の運動エネルギーに比べて小さい系を弱相関系,大きい系を強相関系と呼ぶが,Sr_2IrO_4はちょうど両者が入れ替わる「中相関系」とも言うべき領域に位置していることを示唆する結果が得られた.これは5d電子の強い遍歴性に起因するものであり,実験・理論ともにアプローチが難しい領域であるが,それ故に金属・絶縁体転移のメカニズムを深く理解するための格好の場を提供しているとも言える.また,キャリアをドープすることでスピンと軌道が結合して出来た「擬スピン」がペアを組んだ超伝導が発現する可能性を示し,新たな超伝導体の候補と成り得ることを提案した.Sr_2IrO_4が最初に合成されたのは1950年代であるが,その面白さが理解されてきたのは実に今世紀に入ってからである.これは,様々な実験技術の向上と多軌道電子系に対する理論解析の手法の進展によるところが大きい.まさに「故(ふる)きを温(たず)ねて新しきを知る」の好例であろう.今後も「故くて新しい」スピン軌道相互作用に対する研究の進展が期待される.

収録刊行物

  • 日本物理学会誌

    日本物理学会誌 70 (1), 31-35, 2015-01-05

    一般社団法人 日本物理学会

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