大型放射光施設 SPring-8

公開日

2005年07月07日

平成17年7月7日
高エネルギー加速器研究機構
(財)高輝度光科学研究センター
京都大学

現代社会を支えている電子機器は、物質を形成する電子集団の様々な特性を理解し，制御することで実用化されています。このような多数の電子の挙動は量子力学によって理解されます。量子力学によると固体中の原子の電子状態を決定する自由度には、電荷、スピン（電子の磁性）、軌道（電荷分布の対称性）と呼ばれるものがあります。近年、遷移金属酸化物において、電荷分布が結晶の中で規則的に並ぶ、「軌道秩序⁽³⁾」と呼ばれる新しい電子の存在形態が明らかになりつつあります。この研究では日本の放射光研究者が主導し、「放射光共鳴Ｘ線散乱⁽⁴⁾」という手法を用い、物質の中で”軌道”の秩序が直接観測され、”軌道”の実体が理解されるようになりました。しかしながらこの手法では、電子軌道が結晶中で市松模様のように並んだ「反強的軌道秩序状態⁽⁵⁾」しか観測することができませんでした。
　今回、久保田正人（高エネルギー加速器研究機構）、村上洋一（東北大学、日本原子力研究所）、水牧仁一朗、大隅寛幸、池田直（高輝度光科学研究センター）、中辻知、深澤英人（京都大学理学研究科）、前野悦輝（京都大学国際融合創造センター）らで構成される研究グループが、「共鳴Ｘ線散乱干渉法」という新たな測定手法を開拓することにより、4d遷移金属酸化物（京都大学で開発・育成された金属・絶縁体転移系ルテニウム酸化物Ca_2-xSr_xRuO₄ の単結晶）において、各ルテニウムの4d電子の電子雲が、結晶全体に渡り自発的に同じ対称性を持つ状態（強的軌道秩序状態）を世界に先駆けて見いだしました。（図１；Ca_2-xSr_xRuO₄の結晶構造、図２；ルテニウムの4d電子が組んでいる強的軌道秩序状態の概念図、通常は上図のように軌道は無秩序状態をとっています。）
　電子の同じ規則がそのまま並ぶ「強的秩序」状態では、一つの電子が持つ性質が結晶全体に現れます。このように量子状態が結晶全体に現れる例には、電子のスピンによる「強磁性」や電気分極が並ぶ「強誘電性」があり、どちらも高密度記憶材料の実現に大切な役割を持っています。
　最近では、新たな電子デバイス材料開発において多くの研究者が物質中の電子の電荷やスピンだけでなく（電子同士の相互作用を支配している）電子の軌道をも制御することに挑戦しています。今回、観測に成功した強的軌道秩序状態は、すべての原子サイトの軌道状態がそろっているので、電子の動きを制御する上で有利な電子状態です。共鳴Ｘ線散乱干渉法により、強的軌道秩序状態の物性を理解することは、軌道の自由度をうまく利用した酸化物エレクトロニクス新機能性材料の開発・物質設計において今後ますます重要になってくるでしょう。

<参考資料>

<用語解説>

１．共鳴Ｘ線散乱干渉法：
　この研究により開拓された方法で、軌道秩序のシグナルを結晶構造のシグナルと干渉させ強度を増強させることにより、結晶構造の信号と分離して、本来微弱な軌道秩序のシグナルを捉える観測手法。

２．強的軌道秩序：
　結晶の中で各原子位置での電子分布が同じ形状をとり、結晶全体に規則的に並んだ状態。初めに強磁性という言葉が使われた。強磁性は結晶の中で電子スピンが同じ向きを持って並ぶ現象であり、それ以来電子の同じ秩序状態が結晶全体に並ぶ現象を強的秩序という言い方で表す場合が多い。結晶のなかの電気分極が同じ方位を持って並ぶ現象は強誘電性と呼ばれている。

３．電子の軌道秩序：
　各原子に局在した電子の異方的な分布が、結晶全体に規則を持って配列する状態。電子の異方的な分布はそのまま電子軌道の形（対称性）を意味している。

４．放射光共鳴Ｘ線散乱：
　放射光Ｘ線による回折実験の手法の一つ。原子が持つ固有の共鳴状態に一致するエネルギーを持つＸ線を入射し、原子を励起状態に保ちながら結晶方位に対する回折信号の強度分布を調べ、励起状態にある原子の対称性と電子軌道に関する情報を得ることができる。

５．反強的軌道秩序：
　結晶の中の電子の秩序が、交互に反対向きになりながら、結晶全体に配列する状態を反強的秩序と呼ぶ。磁性体ではスピンが交互に反対向きに並んだ状態を，反強磁性と呼ぶ。模式的に言えば白黒の市松模様の様な配列も反強的秩序の例となる。