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URu 2 Si 2 ～隠れた秩序と微弱反強磁性、超伝導の共存～

URu 2 Si 2 ～隠れた秩序と微弱反強磁性、超伝導の共存～. T C （超伝導転移温度） = 1.2K ( ~ 1.4K ). γ （電子比熱係数） = 110mJ/moleK 2. 重い電子系超伝導体. SC ＋反強磁性 　　＋ 隠れた秩序. SC + 強磁性　. SC ＋反強磁性. UGe 2 URhGe. UPd 2 Al 3 UNI 2 Al 3 UPt 3. URu 2 Si 2. c. a. 主な特徴. 結晶構造. 正方晶 ThCr 2 Si 2 型. 反強磁性秩序を示す. μ = 0.03(±0.01)μ B.

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URu 2 Si 2 ～隠れた秩序と微弱反強磁性、超伝導の共存～

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Presentation Transcript

  1. URu2Si2 ～隠れた秩序と微弱反強磁性、超伝導の共存～

  2. TC（超伝導転移温度）= 1.2K ( ~ 1.4K ) γ（電子比熱係数）= 110mJ/moleK2 重い電子系超伝導体 SC＋反強磁性　　＋隠れた秩序 SC + 強磁性　 SC＋反強磁性 UGe2URhGe UPd2Al3UNI2Al3UPt3 URu2Si2 c a 主な特徴 結晶構造 正方晶ThCr2Si2型 反強磁性秩序を示す μ = 0.03(±0.01)μB マクロな物理量で異常 隠れた秩序 ( hidden order : HO ) 磁性と超伝導が共存する主なU化合物

  3. ΔC / T0～ 300mJ/molK2 T0 T0 T0 比熱 比熱、熱膨張、電気抵抗測定 ⇒T0＝17.5Kで異常 何らかの秩序状態への相転移　　　　　（発見当初SDWが有力） 熱膨張 電気抵抗 T (K)

  4. TN ~ 5.8K 一方、中性子散乱において、同じ17.5K ( = Tm )で 微弱反強磁性秩序 を観測 μ = 0.03 (±0.01)μB Q＝( 0 0 π/ c ) ＊UPt3 でも同程度の小さな磁気モーメントによる　反強磁性秩序 ⇒　しかし、比熱などに 大きな異常は現れない c a 比熱、電気抵抗、熱膨張測定での大きな異常 中性子散乱での微弱反強磁性 隠れた秩序状態（HO) の存在を示唆

  5. 問題点 同じ温度T0=17.5Kで起こる微弱反強磁性秩序と比熱、電気抵抗等の大きな異常をどのように関連付けるか 関連性なし( Tm = T0 は偶然一致) HO＝AFQ （反強四重極秩序） 微弱反強磁性秩序 5f電子　⇒　局在 と or 付随して起こる（微弱モーメントを生む隠れた秩序変数） 隠れた秩序（HO) HO＝ unconventional SDW 5f電子　⇒　遍歴

  6. 5f電子　=　局在 スピン軌道相互作用 U 4+ ( 5f 2 )　　　　⇒　　　　L = 5 S = 1　　　　⇒　　　　J = 4　（9重縮退） フント則 結晶場により分裂 9.6meV singlet doublet 3.8meV Santini のモデル HO　＝　AFQ　（反強四重極秩序） 結晶場項 ゼーマン項 四重極モーメントの相互作用

  7. 四重極モーメント ・・・・　異方的な電荷分布を表す　 結晶場基底状態で縮退が残っている時、いずれかの成分が秩序化 縮退解ける 比熱、電気抵抗、熱膨張などに異常 URu2Si2　・・・・　結晶場基底状態は1重項 １重項間の非対角成分（< Γ3 | Q | Γ11 > ≠ 0）が秩序変数 O22 = Jx2 － Jy2 Oxy = JxJy + JyJx マクロな異常を説明できる AFQは磁気モーメントを誘起しない　　　⇒　微弱反強磁性とは全く関係ない（Tm = T0は偶然一致）

  8. 5f電子　=　遍歴 SDW ( spin density wave ) HO = CDW ( charge density wave) 秩序状態でフェルミ面上にエネルギーギャップ マクロな物理量に異常 長期的な周期構造 中性子散乱　⇒　Q＝( 0 0 π/ c ) 短期的周期の反強磁性秩序 unconventionalSDW d－SDW？ （モーメントを持たない） impurityのまわりで局所的にモーメント発生

  9. Pc 高圧下中性子散乱 圧力印加によりモーメント増大 μ＝0.03 ⇒ 0.25μBで一度飽和 Pc ~ 1.5 GPa で不連続的に急増 ~ 0.4μBでほぼ一定値 他の物理量の圧力変化 T0での異常に大きな圧力依存性見られない T0

  10. モーメント温度依存性の圧力変化 P (GPa) P＜Pc　・・・　Tm以下で緩やかに増大 P＞Pc　・・・　Tm以下で急激に増大 Pc以上で反強磁性の性質が変化 Tm （中性子散乱） T0（比熱、電気抵抗） Tmの圧力依存性 加圧により高温側へシフト （同様にPcでとび） 反強磁性秩序の強化

  11. 高圧下29Si-NMR 中央の共鳴線（センターライン）　・・・Si核（I=1/2）の+1/2⇔-1/2遷移 両側の共鳴線（サテライトライン）・・・U磁気モーメントからの内部磁場　　　　　　　　　（反強磁性秩序状態） 十分低温において常磁性状態のUサイトが存在 反強磁性秩序が空間的に一様ではない サテライトラインの信号強度 反強磁性領域の割合 サテライトラインの分裂幅 内部磁場の大きさ ＝　磁気モーメントの大きさ

  12. 内部磁場、サテライト強度、中性子散乱強度の圧力依存性内部磁場、サテライト強度、中性子散乱強度の圧力依存性 加圧により変化するのは反強磁性領域のみ 磁気モーメントの大きさは P < Pcにおいて変化しない(μ~ 0.25 μB) 中性子散乱強度 IB ∝ v μ2 反強磁性領域の体積を含む P = Pcにおいては磁気モーメントも増大している可能性が高い NMR内部磁場 NMRサテライト強度 常圧における微弱反強磁性は磁気モーメントではなく反強磁性領域の小ささが原因

  13. 内部磁場（磁気モーメント）の温度依存性 P < PcにおいてもTm以下で急増 NMR 反強磁性領域が小さいため中性子散乱ではゆるやかな温度依存性に見えていた 磁気モーメント P > PcP < Pc どちらもTm以下で急成長する 中性子散乱 但し反強磁性領域は小さい 一軸加圧中性子散乱 001方向のみモーメントの圧力変化小さい HOの秩序変数が関係？

  14. 高磁場測定 H増加 比熱 H ≦ 33.5 T 異常が大きくなる T0が低温側へシフト H増 H = 36 Tピーク見られない　　　　　（7K以下でブロード） H = 38 T再び鋭いピークが現れる H ≧ 40 T　　ショットキー型の緩やかなピーク HOは磁場により破壊される ~ 36 T でHO相閉じる　⇒　さらに高磁場で新たな転移

  15. 高磁場測定 磁気相図 磁気抵抗 磁化 高磁場で新たな相 磁化で見られる強い異方性 モーメントの圧力依存性は001方向で小さい 起源わからない（HOと関連）

  16. 実験値 等方的なギャップ ∝ T 3 超伝導状態 比熱 T = Tcでのとびが小さい （等方的なギャップ（理論値）に比べ） 実験値 T = Tc以下で　∝ T 2 ∝ T 2 等方的なギャップ 1 / T1 T = Tcでコヒーレンスピークなし Tc直下での1/T1の増大（等方的ギャップで特徴的に見られる） T < Tc以下で ∝ T 3 異方的超伝導 ラインノード（線状にギャップが消失）を持つ

  17. singlet or triplet ? Hc2（上部臨界磁場）の性質から予想する 各磁場方向におけるHc2の温度変化 Hc2の角度依存性 m||c / m||a ~ 1.5 大きな異方性が見られる （massの異方性） ＋ Hc2,||a / Hc2,||c~ 4 パウリ常磁性の効果 を考慮してフィッティング（実線）

  18. Horb Hp 超伝導体内に量子化された磁束が侵入することで超伝導状態壊れる 軌道効果 ・・・・・・・ 臨界磁場・・Horb パウリ常磁性効果 ・・・・・ ゼーマン効果によりスピンが磁場方向を向き、超伝導状態壊れる 臨界磁場・・Hp singlet（スピンが反平行）の時、その効果が現れる 臨界磁場はHorbとHpの兼ね合いで決まる HorbとHpどちらが支配的か？ Horb = 0.73 × Tc × ( -dHc2 / dT )｜Tc = 13.6 T Hp = Δ0 / √2μB～ 1.84 Tc = 2.9 T H//a　において Horbが支配的 パウリ常磁性効果は見られない singletであればパウリ常磁性効果が現れ、Hc2はもっと下がるはず triplet ?

  19. summary マクロな異常 微弱反強磁性秩序 AFQ （5f電子局在） 常圧、T0付近 HO 非常に小さな反強磁性領域 SDW、CDW 　　 　（5f電子遍歴） 磁場増加でHO相破壊 圧力印加で反強磁性領域増加 36 ~ 38T で新たな相が現れる Pc = 1.5 Gpa で不連続的に急増 超伝導状態 異方的超伝導 （ラインノード） 比熱（∝ T2 ）、1 / T1 （∝ T3 ） triplet ? パウリ常磁性効果現れない しかし現段階で判断するのは困難

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