理研ら,固体中の相対論的電子による相転移を発見

理化学研究所(理研)とソウル大学らの国際共同研究グループは,固体中で強く相互作用する相対論的電子の新しい相転移現象を発見した(ニュースリリース)。

多くの遷移金属酸化物は電子間の相互作用が強いために,電子が互いに反発して動くことができず絶縁体となる。これら強相関電子系と呼ばれる物質群では,電荷,スピン,軌道自由度が大きなエネルギースケールで作用し合っているため,圧力や磁場などの外部刺激によってさまざまな秩序相が現れることが知られている。特に近年では,パイロクロア型結晶構造を持つイリジウム酸化物において,磁性と結合した新たな電子状態が実現する可能性について活発に議論されている。

今回,研究グループは高品質の単結晶を合成し,圧力,温度,磁場を細かく制御しながら電気輸送特性測定(電気抵抗率測定)を行なうことで,新たな磁気・電子相および相転移に伴う異常応答の開拓を目指した。

まず,磁性絶縁体(絶縁性の高い磁性体)である「ネオジウム・プラセオジウムイリジウム酸化物((Nd1-xPrx2Ir2O7)」を合成し,圧力下で電気輸送特性の測定を行ったところ,相転移温度が絶対零度(0K)になる量子臨界点の近傍において巨大な磁気抵抗効果を観測した。さらに電気抵抗率の変化に伴い,キャリアの性質を反映するホール伝導度が符号の変化を含めた異常な磁場依存性を示すことを明らかにした。

また,磁気構造を考慮に入れた理論計算から,観測された現象が新しいタイプのトポロジカル電子相の発現を示している可能性を見いだした。これらの結果から,これまで理論的に予測されていなかった電子相が量子臨界点近傍に多数存在することを実験的,理論的に実証した。

この成果は,固体中における磁性と電子状態に関する基礎的な理解を深めるとともに,トポロジカル電子相に関する新たな知見を与えると期待できるものだとしている。

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