大型放射光施設 SPring-8

公開日

2026年01月21日

2026年1月21日
理化学研究所
富山県立大学
広島大学
関西学院大学
高知大学

理化学研究所（理研）放射光科学研究センター物理・化学系ビームライン基盤グループの山岡人志客員研究員、富山県立大学工学部教養教育センターの谷田博司准教授、広島大学放射光科学研究所(HiSOR)のアイケ・シュヴィア助教（研究当時）、シブ・クマール助教（研究当時）、有田将司技術専門職員、島田賢也教授（同大学放射光科学研究所所長）、関西学院大学の山本義哉大学院生（研究当時）、水木純一郎教授、高知大学の田島史郎大学院生（研究当時）、小野寺健太大学院生（研究当時）、西岡孝教授らの国際共同研究グループは、奇妙な異方性（磁気秩序が磁化の起こりやすい方向に起きない）を備えた反強磁性秩序[1]を示す近藤半導体[2]Ce(Ru1-xRhx)2Al10において、伝導電子とセリウム(Ce)が持つ4f 電子[3]との結合（c-f 混成[4]）の異方性を考慮した新しい相図[5]を提案しました。 　本研究成果は、高温超伝導体、次世代メモリ、高効率エネルギー変換デバイス、次世代コンピュータなどへの応用が期待される強相関電子系化合物[6]の物性発現の理解と新物質開拓に貢献すると期待されます。 　今回、国際共同研究グループは、近藤半導体であるCeRu2Al10とそのルテニウム(Ru)の一部をロジウム(Rh)で置換した物質について、広島大学放射光科学研究所(HiSOR)のビームラインおよび理研放射光科学研究センターの大型放射光施設「SPring-8」[7]の放射光を用いた実験を駆使し、電子構造を調べ、少量のRh置換により引き起こされた電子構造の質的な変化、すなわちリフシッツ転移[8]が生じることを見いだしました。また、公表から約半世紀が経過した今でもなお強相関電子系の基底状態を記述する最も基本的な概念である相図（ドニアック相図(Doniach phase diagram)[9]）を発展させ、方位依存性を持った「羅針盤」としての新しい相図を提案しました。 　本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版（2025年12月24日付）に掲載されました。 新たに提案した異方的c-f混成を扱う高次元の相図 論文情報 雑誌名：Physical Review Letters タイトル：Itinerant to localized heavy electron magnetism in Ce(Ru1-xRhx)2Al10: a direction-dependent phase diagram beyond the Doniach phase diagram 著者：Hitoshi Yamaoka, Hiroshi Tanida, Eike F. Schwier, Yoshiya Yamamoto, Shiv Kumar, Masashi Arita, Kenya Shimada, Fumisato Tajima, Renta Onodera, Takashi Nishioka, Hirofumi Ishii, Nozomu Hiraoka, and Jun’ichiro Mizuki DOI：10.1103/hdcf-dycj

背景
　物質の中には無数の電子が存在します。それらは相互に影響し合い、超伝導や磁気／電荷秩序といった相転移^[10]を示します。物の性質を扱う物性物理において、相転移の研究は花形の一つです。元素の組合せや原子のナノ配列構造（結晶構造）の特徴を反映した種々の相転移が知られていますが、こうした基礎研究は、現代社会を支える基盤技術（例えば磁気メモリなど）につながっています。
　近藤半導体CeM₂Al₁₀（M：遷移金属のRu、オスミウム(Os)、鉄(Fe)など、Al：アルミニウム）は直方晶^[11]の化合物です （図1(a)）。近藤半導体では、磁気秩序が生じることは通常期待されませんが、CeRu₂Al₁₀とCeOs₂Al₁₀では常識に反し、約30ケルビン（K：絶対温度の単位）で反強磁性(AFM：antiferromagnetic)秩序が生じます。この転移温度は、大抵のCe化合物と比べて数倍高いものです。また、反強磁性秩序でのCeの磁気モーメントの向き（磁気異方性）も異常で、通常の磁性体では期待されない方向を向いてしまいます。このように奇妙な反強磁性秩序のカギとして、特に伝導電子とCe 4f 電子との結合（c-f 混成）の異方性が指摘されてきました。しかし、肝心の電子構造は未解明のままでした。
　そこで山岡客員研究員らは、角度分解光電子分光(ARPES)^[12]実験（図1(b)）を行い、CeRu₂Al₁₀では確かに c-f 混成が異方的であることを明らかにしました^注1）。この結果は、CeRu₂Al₁₀で生じる奇妙な反強磁性秩序が遍歴性^[13]を有すことを浮き彫りにし、当時提唱されていた理論モデルを支持する内容でした^注2）。

注1） H. Yamaoka et al., J. Phys. Soc. Jpn. 93, 124704 (2024).
注2） S. Hoshino and Y. Kuramoto, Phys. Rev. Lett. 111, 026401 (2013).

研究手法と成果
　今回、国際共同研究グループは、CeRu₂Al₁₀のRuサイトを周期表でRuの一つ右隣にある元素Rhに一部置き換えたCe(Ru_1-xRh_x)₂Al₁₀について、ARPES実験を行いました。Ce(Ru_1-xRh_x)₂Al₁₀の最大の特徴は、CeRu₂Al₁₀の異常な磁気異方性を解消し、磁気モーメントが期待される通りの向きを向くようになることです。この劇的な変化は、わずか5%程度のRh置換で起こります。このとき同時に転移温度も若干下がりますが、依然として同程度に高い温度を維持します。ここでも、c-f 混成の強度と異方性がカギとなることが指摘されてきましたが、肝心の電子構造は未解明のままでした。
　そこで国際共同研究グループは、CeRu₂Al₁₀およびCe(Ru_1-xRh_x)₂Al₁₀について、広島大学放射光科学研究所(HiSOR)のビームラインBL-1でARPES実験を行い、c-f 混成に異方性があることを見いだしました。さらに、理研放射光科学研究センターSPring-8のビームラインBL12XUとBL12B2において実施した分光実験とX線回折実験の結果を合わせて、電子構造の変化、いわゆるリフシッツ転移がRh置換によって起きていることを明らかにしました。
　図2(a)と(b)は、ARPES実験のデータを各結晶軸について積分して得たスペクトルです。これにより c-f 混成の強度の異方性を調べることができます。図を見ると、フェルミエネルギー^[14]近傍のスペクトル強度が明らかに違います。また、強度の強い方向がRh置換で変化しています。これは、Rh置換によって c-f 混成の強い方向が切り替わったことを、実験的に明瞭かつ端的に示す結果です。

　 図3(a)は、強相関電子系化合物の特徴を説明するために約50年来用いられてきたドニアック相図の概念を、模式的に示したものです。c-f 混成が弱い領域では電子は局在的（特定の原子などに強く束縛されている状態）で、局在的反強磁性秩序が生じます。一方 c-f 混成が強い領域では遍歴的（電子が特定の場所にとどまらず自由に動く状態）で、非磁性の重い電子状態^[15]が実現します。両者の中間ではさまざまな異常が発現します。これは、電子の粒子性と波動性^[16]の問題に直結します。図中の円はフェルミ面の大きさを表し、円の大きい方が c-f 混成の強い状態を示します。
　図3(b)は、ドニアック相図の概念を拡張した理論モデルです^注2）。局在的反強磁性秩序と重い電子状態の間に、遍歴的反強磁性秩序の領域が割り込み、局在的反強磁性秩序の領域とはリフシッツ転移で隔てられています。これにより、CeRu₂Al₁₀の示す反強磁性秩序の遍歴性や、Rh置換で生じるリフシッツ転移を理解できます。

　CeRu₂Al₁₀の c-f 混成が異方的であるにもかかわらず、ドニアック相図では c-f 混成が等方的に扱われているため（図3）、CeRu₂Al₁₀の性質をうまく捉えることができませんでした。そこで国際共同研究グループは、c-f 混成の異方性を考慮したより高次元の新しい相図を作成しました（図4）。

　CeRu₂Al₁₀とCe(Ru_0.9Rh_0.1)₂Al₁₀では、いずれも c-f 混成の強さが異方的で、かつ、その強い方向は、それぞれ c 軸方向、b 軸方向と異なりました。そこで、横軸と縦軸にそれぞれ c 軸方向と b 軸方向の c-f 混成の強さを取ることで、c-f 混成が異方的な場合でも、その状況をうまく扱うことができるよう、旧来の概念を高次元に拡張した新たな相図を提案しました（図4）。従来のドニアック相図の概念は、c-f 混成の強さの観点では1次元的です。新しい相図上では45°斜めの破線の軸上に対応します。
　CeRu₂Al₁₀は c 軸方向の c-f 混成が強いため、相図の右側の領域、すなわち c 軸方向の c-f 混成が強い領域に位置付けられます。このとき、c 軸方向に c-f 混成の強いことが、c 軸方向（横方向）に長い楕円で象徴的に示されています。同様に、Ce(Rh_0.9Rh_0.1)₂Al₁₀では、b 軸方向の c-f 混成が強いので、相図の左上に、b 軸方向（縦方向）に長い楕円で示されています。両者は青い破線で示すようにリフシッツ転移で隔てられていて、今回の実験のようにRhで置換することで、遍歴的反強磁性状態から局在的反強磁性状態へと移行します。その際、c-f 混成の強い方向が c 軸方向から b 軸方向へと大胆に入れ替わる様子が、黄色い矢印で示されています。
　c-f 混成の強さが弱い場合（図4左下）、あるいは強い場合（図4右上）には、c-f 混成の異方性が実質的に消失し、等方的と見なすことができます。その様子は、図3(a)と図3(b)でも示した円により、象徴的に示されています。いわば、CeRu₂Al₁₀およびその関連物質は、c-f 混成の強い／弱い領域の狭間にあり、種々の異常な性質の起源は、まさにその狭間の世界が生み出した c-f 混成の異方性に端を発すると考えることができるようになります。このように提案した新しい相図は、c-f 混成の示す異方性を針に据えた、まさに「羅針盤」として機能します。

今後の期待
　本研究で得られた知見は、強相関電子系化合物の特徴を記述する最も基本的かつ象徴的な概念を、実験結果に基づき質的に拡張したものです。強相関電子系化合物が示す多様な性質の理解を深化させ、現象の統一的な理解、新たな物質開拓と理論研究の指針を与えます。元をたどれば電子の粒子性・波動性といった量子力学の基本原理に深く関わる概念であることから、本知見のインパクトは物性物理にとどまらず、広く波及し、基礎・応用を含む幅広い分野で活用されることが期待されます。

研究支援
　本研究は、広島大学放射光科学研究所のビームラインBL-1、BL-7、BL9A（課題番号：13-A-2、13-B-38、14-A-3、14-A-5、15-A-2、16AG-002、17AG-007、19BG002、21AG003）、SPring-8にある台湾ビームラインBL12XU、BL12B2（課題番号：2013A4251、2013A4255（NSRRC課題番号：2012-3-011））を用いて行われました。

＜発表者のコメント＞
　最初の母物質CeRu₂Al₁₀に対する測定結果は「磁化秩序が一番強くなる軸方向が、一番混成強度が強くなる」という常識に反するものでした。このため、まず、自分たちの測定を疑うことから始め、何度か実験を繰り返して結果が間違っていないことを確かめました。その確認のために何年もかかりました。Rh置換系ではその経験を生かし、面白い結果を得ることができました。長い期間付き合っていただいた共同研究者に感謝です。（山岡人志）

山岡人志

【補足説明】