2012年6月4日
池田助教
池田浩章 理学研究科助教、芝内孝禎 同准教授、松田祐司 同教授、有田亮太郎 東京大学大学院工学系研究科准教授、鈴木通人 日本原子力研究開発機構研究員、瀧本哲也 韩国础笔颁罢笔グループリーダーらの研究グループは共同で、固体物理学における長年の未解決問題であるウラン化合物の「隠れた秩序」状態が、どのようにして発現するのか、その発現機構を理論的に解明しました。この成果は、歴史的難問を解決に導くとともに、そこで得られた新奇な電子状態は、物質の状態に対する新しい理解を与えます。また、本研究で開発した数値計算の方法は、物質の電子状態を探る新しい手段として、新物質の開発や物性予測にも役立つことが期待されます。
本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Physics」電子版に掲載されました。
研究の背景と経纬
物质の状态は、固体、液体、気体などに代表される一つの均一な状态（相）で特徴づけられ、温度などの外部环境の変化に応じて、异なる相に変化します。この状态间の変化が「相転移」とよばれる现象で、自然科学における中心的な研究テーマの一つす。例えば水が氷になるのは、低温で水分子が规则正しく整列することによるもので、相転移の一种です。このように物质は相転移により乱雑な状态から整列した状态（秩序状态）に変化します。物质中に多数存在する电子は、电気を运ぶ担い手であると同时に、磁石としての性质（スピンと呼ばれる）ももっており、その电子の集団は、磁石になったり超伝导になったりと様々な兴味深い相転移を示します。
1985年、本研究の対象物质であるウラン化合物鲍搁耻2Si2において、17.5碍（约マイナス256度）という低温で、新しい相転移が発见されました（図1）。当初、类似の化合物でよく见られる磁気的な相転移、つまりスピンが规则正しく整列した状态への転移が考えられましたが、その后の精密な研究からその可能性は否定されました。それ以降、世界中の研究グループによる25年以上にもわたる膨大な研究にもかかわらず、「何が秩序を持った状态になったのか」という相転移の本质が未解决のまま、「隠れた秩序」と呼ばれる谜とされてきました。こうして、その解明は固体物理学（物质科学）の重要课题となっていました。
図1 圧力—温度相図。矢印に沿って、「隠れた秩序」状態に相転移
研究の内容
今回、研究グループは、第一原理バンド计算に基づいて、あらゆる応答関数を理论的に评価することで、32极子という非常に高次の多极子が秩序化した状态が「隠れた秩序」の正体であることを明らかにしました。
物质中の电子状态は、水や氷のように実际に触って确かめることができないため、外から强い光を当てたり、磁场を加えたりしたときの応答を见て、间接的にその状态の情报を集めることになります。それが、応答関数と呼ばれるものであり、これを调べることで物质がどのような相転移を起こしうるのかが分かります。しかし、现実の复雑な物质において、応答関数を理论的に评価するのは至难の业であり、これまでは、ごく简単な物质でしか、そのような解析はなされてきませんでした。本研究グループは、その复雑なバンド构造（物质中の电子状态）を电子の轨道に分解する手法を用いることで、现実的なバンド构造に基づいて応答関数を计算する手法を开発（図2）し、それを用いて、鲍搁耻2Si2において考えうる様々な応答関数を计算することに初めて成功しました。その结果、得られたのが32极子という非常に高次の多极子秩序です。
図2 電子状態を軌道分解して得られた無秩序相におけるフェルミ面
（Nature Physics論文Fig.1から抜粋）
一般に、物质中の电子は、电荷とスピン以外にも、轨道（波动関数の形）の自由度を持ち得ます。ウランのような重い原子では、この轨道とスピンが强く结びついており、多极子といわれるものを形成します。これには、通常の磁石と同じ振る舞いを示す磁気双极子、电荷が+-+-と変化するような电気四极子などが含まれますが、ここで现れた32极子は、ミクロな磁石が5つ结びついたような状态です（図3）。このような新奇な状态を捉えるには、かなり注意深い高精度の测定が必要であり、既存の测定方法で见つけにくいのは自然なことであったと考えられます。
図3 多極子の例。左から、双極子、8極子、32極子。色は磁石のN極、S極に対応
ごく最近、研究グループの一部、芝内、松田、池田らは、精密な磁化測定とその解析から、「隠れた秩序」状態では面内が等方的でなく、液晶のように方向性をもった （ネマティックな）電子状態であることを突き止めました[1闭が、ここで得られた32极子の秩序状态（図4）は、この结果とも整合しています。
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今后の展开
これまで、「隠れた秩序」を説明するため、様々な理論が提唱されてきましたが、そのすべてが、既存の実験結果に依拠する手法を取ってきました。一方、我々の取った手法は、第一原理バンド计算に基づくもので、既存の実験結果とは完全に独立であるにもかかわらず、様々な実験結果を総合的に説明し、非常に説得力のある結果となっています。このような、高次の多極子の整列した秩序状態を現実の物質が取り得ることは驚くべきことであり、現実の物質が、これまで想像されてきたものよりも、さらに多様な状態を取り得ることを示しています。本研究で得られたこの新奇な電子状態は、物質の電子状態に対する新しい知見を与え、また、さらに低温（1.5 K）において出現する超伝導の発現機構の解明にも役立つと考えられます。
さらに、本研究を通して発展させられた数値计算の手法は、一般の物质において电子状态を探るための新しい手だてであり、新物质の开発や物性予测等にも役立つことが期待されます。
本研究は、文部科学省新学术领域研究「重い电子系の形成と秩序化」、グローバル颁翱贰「普遍性と创発性が纺ぐ次世代物理学」、科学研究费补助金の助成を受けました。
用语解説
第一原理バンド计算
実験结果に依らないで、物质の电子状态（例えば、金属か？ 絶縁体か？）を予测するための非経験的计算手法あり、电子状态を考える上での基础を与える。
参考文献
[1] R.Okazaki, T.Shibauchi, H.J.Shi, Y.Haga, T.D.Matsuda, E.Yamamoto, Y. Onuki, H.Ikeda, and Y.Matsuda, Science 28 （2011） 439-442,
DOI: 10.1126/science.1197358
书誌情报
[DOI]
"Emergent rank-5 nematic order in URu2Si2"
（鲍搁耻2Si2に现れたランク5のネマティック秩序）
Hiroaki Ikeda1, Michi-To Suzuki2, Ryotaro Arita3, Tetsuya Takimoto4, Takasada Shibauchi1 & Yuji Matsuda1
1理学研究科 2日本原子力开発研究机构 3东京大学物理工学研究科 4韩国础笔颁罢笔
Published online: Nature Physics. 03 June 2012 doi:10.1038/nphys2330
- 京都新聞（6月4日 20面）に掲載されました。