大型放射光施設 SPring-8

公開日

2012年05月24日

2012年5月24日
独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学
国立大学法人神戸大学
国立大学法人広島大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

発表のポイント
●大型放射光施設SPring-8で人工化合物Cd₂Os₂O₇の電子スピンの配列をはじめて解明
●電子スピンの配列が2通りあるため、デジタル表現（0と1）が可能
●電子スピン同士は打ち消し合うため、物質全体は磁石の性質を持たない

1. 背景
　多くの物質は温度を変えても電気の伝わりやすさはあまり変化しません。しかし、ある種の金属酸化物は、温度を変えることによって金属から半導体へと変化します。このような変化を示す物質の一部は、さまざまなセンサー材料や調光材料として応用されており、また超伝導の性質を持つ可能性もあることが知られています。そのため、金属から半導体になる物質群の実用を目指した応用研究は盛んに行われています。
　今回、共同研究グループが注目した人工化合物Cd₂Os₂O₇もそのような特徴を示す物質の1つです。パイロクロア^※3という天然鉱物と同じ構造を持つ人工金属酸化物です。4個のオスミウム（Os）原子がちょうど正四面体の頂点に位置し、さらにその正四面体がつながるように結晶を作ります（図1）。
　Cd₂Os₂O₇は室温では電気をよく通しますが、マイナス52°C以下に冷やすと半導体になります。30年以上前にアメリカの研究グループが、半導体になると同時に電子スピンが整列していると考えられる実験結果を報告しましたが、本当に整列しているかどうかは分かっていませんでした。この物質の性質を詳細に調べるためには、電子スピンの配列を理解することが重要です。通常、電子スピンの配列を調べるには、中性子を当ててその跳ね返り方を調べますが、Cd₂Os₂O₇は中性子を吸収してしまう性質があり、これまで測定することができませんでした。そこで研究グループは、大型放射光施設SPring-8の放射光X線を用いた実験と観察に挑みました。

2. 研究手法と成果
　共同研究グループは、Cd₂Os₂O₇を構成している3元素（カドミウム、オスミウム、酸素）のなかでも、磁性の性質を持つ可能性が高いOs原子に着目しました。 Os原子が反応する0.114nmの波長を持ったX線をマイナス52°C以下に冷やしたCd₂Os₂O₇の結晶に当て、X線の跳ね返る方向と強さを精密に調べることで、Os原子の周りを回る電子スピンの配列を調べました。
　その結果、Os原子が作る正四面体の頂点にある電子スピンの向きが内側か外側のどちらかを向く2通りの配列があることが分かりました（図2）。この特徴的な配列は、電子スピン同士が磁性を打ち消し合うため、物質全体としては磁石の性質を持ちませんが、デジタル的な0と1を表現できます。また、これまでの磁気記録材料は、強い磁石に近づけると誤消去される欠点を持ちますが、今回発見した電子スピンの配列は磁化を持たないため、強い磁石を近づけても0と1の間の誤消去が起きにくいことになります。

3. 今後の期待
　今回、発見したCd₂Os₂O₇の電子スピンの配列は、誤消去されにくく磁石の性質を持たない新しい記録材料としての可能性を有しています。ただし、その出現温度が室温以下であり、またカドミウムやオスミウムには毒性があるために、実用化には課題が多く残されています。今後、この発見を生かして、外部刺激に対するCd₂Os₂O₇の特性を詳細に調べると同時に、同じ型の電子スピン配列を持ち、かつ実用化可能な物質の創出を目指します。これらの研究を通じて、これまでの磁気記録にはない特徴を持つ新しい記録材料やこの電子スピン配列に伴う電気抵抗の変化を利用したセンサーなど、新世代技術への応用が期待できます。

《参考資料》

《用語解説》
＊1　Cd₂Os₂O₇
パイロクロア（※3参照）のカルシウム（Ca）がカドミウム（Cd）で、ニオブ（Nb）がオスミウム（Os）で置き換えられた人工金属酸化物。

＊2　大型放射光施設SPring-8
理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。その運転管理と利用者支援は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて小惑星探査機「はやぶさ」が取得した粒子の解析などの基礎科学からリチウムイオン電池や製薬などの産業利用までの幅広い研究が行われている。今回使用したビームラインは、BL19LXUとBL02B1。

＊3　パイロクロア
黄緑石。ニオブの原料となる天然鉱石で理想的な組成式はCa₂Nb₂O₇。実際には、Caの一部がNaで、Nbの一部がTaで、Oの一部がFでそれぞれ置換されたり、Hがつけ加わったりすることもある。この結晶構造はパイロクロア型構造と呼ばれる。基本的な構造を変えないままで、多くの元素での置き換えが自由に行えるため物質設計が容易である。これまで、数多くのパイロクロア型物質が人工的に合成されている。