2014年6月19日
笠原成 理学研究科助教、芝内孝禎 東京大学新領域創成科学研究科教授（元京都大学理学研究科准教授）、水上雄太 同助教 （元京都大学理学研究科大学院生）、松田祐司 理学研究科教授らは、杉本邦久 公益財団法人高輝度光科学研究センター（JASRI）研究員、芳賀芳範 独立行政法人日本原子力研究開発機構主任研究員らと共同で、ウラン化合物URu_2Si_2におけるこれまで未解明であった電子状態を、SPring-8における放射光を用いた超高分解能結晶構造解析により直接解明しました。この電子状態は「隠れた秩序」と呼ばれ、物質物理学の30年来の謎でした。今回の研究で結晶構造がわずかにひずむことを発見し「隠れた秩序」がどのような空間的な 対称性を持った電子状態なのかを明らかにしたことにより、物質中の電子が示す新しい秩序状態の理解へつながると期待されます。
本研究内容は、2014年6月19日付けで、英国科学誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。
研究者からのコメント
本研究成果は、磁场をかけない状态における回折実験という直接的な方法で、回転対称性が破れていることを初めて実験的に明らかにしたものです。この结果により、これまでは间接的な証拠によって类推されていた隠れた秩序状态の空间対称性が决定されたことになります。また、得られた2回回転対称性は、通常の物质で简単に予想される対称性の破れ方とは异なり、自明でないタイプのものであり、今后なぜこのような相転移が起こるかを明らかにすることにより、物质中の电子が示す新しい状态の理解へとつながることが期待されます。
ポイント
- ある种のウラン化合物が示す新しい电子状态は「隠れた秩序」状态と呼ばれ、物理学の长年にわたる大きな谜であった。
- 最近、间接的な証拠に基づいて菱形状の秩序が类推されたが、结晶构造は正方形状であると报告されており、结晶构造の変化を直接的に観测することが最重要课题であった。
- 放射光を用いた超高分解能测定と纯度が非常に高い结晶を组み合わせることにより、结晶构造のわずかな変化を初めて直接的に観测し、菱形状の秩序が决定的になった。
概要
物质の状态は、さまざまに変化すること（例えば、水から氷への変化）が知られていますが、物理学においては、このような状态の変化は「相転移」とよばれており、相転移において対称性が変化することが知られています。対称性とは、ずらしたり回転したりした时に见え方がどう変わるかによって决まるもので、例えば正方形は90度回転させても同じように见えますが、菱形では180度回転させないと同じに见えないことから、これらは回転対称性が异なるということになります。したがって、物质が示す状态そのものの理解は、相転移によってどのような対称性が変化したかを明らかにすることが最も重要です。
电子同士の相互作用が强い「强相関电子系」物质として知られている鲍搁耻2厂颈2では、17.5ケルビン（约マイナス256度）という低温で相転移を起こすことが1985年にオランダ、ドイツ、アメリカの叁つの研究グループによりほぼ独立に発见されましたが、鲍搁耻2厂颈2は新しい电子状态である「隠れた秩序」を示し、物质物理学の30年来の谜でした。2011年に研究グループが间接的な証拠により、菱形状の秩序であることを类推しましたが、これまでの结晶构造解析では正方形状であると报告されてきており、本研究で菱形状の结晶构造が直接観测されたことは、「隠れた秩序」がどのような空间的な対称性を持った电子状态であるかを示す决定打です。
长年の谜であった「隠れた秩序」が、単纯には予测できなかった电子状态を持つことが示されたことにより、物质中の电子がとり得る新しい状态の理解へとつながることが期待されます。
図：齿线回折ピークの温度変化
青线は従来の纯良でない试料。丸印は今回の超纯良试料の结果。隠れた秩序相転移温度より高温（黒丸）では単一のピークであるのに対し、低温では二つのピークに分裂する様子が観测された。
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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S. Tonegawa, S. Kasahara, T. Fukuda, K. Sugimoto, N. Yasuda, Y. Tsuruhara, D.Watanabe, Y. Mizukami, Y. Haga, T.D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Ikeda, Y. Matsuda & T. Shibauchi
"Direct observation of lattice symmetry breaking at the hidden-order transition in URu 2 Si 2 "
Nature Communications 5, Article number: 4188 Published 19 June 2014
掲载情报
- 日刊工業新聞（6月20日 27面）に掲載されました。
