Home広島大学大学院先端物質科学研究科 准教授 松村 武
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平成21年7月31日
超伝导现象の解明や、より高度なエレクトロニクスデバイスへの応用の道を拓く研究成果
狈极と厂极が8个ある「磁気八极子」を、世界で初めて観测
研究成果のポイント
- 共鸣Ｘ线回折」に磁场反転を组み合わせる、新たな実験手法で観测したこと。
- 「磁场をかけると磁気八极子が発生する」现象を、初めて実际に観测したこと。
- 物质の磁気的性质に関する基础的?微视的な理解が进展し、新机能物质の开発などが期待できること。
全体概要
広島大学大学院先端物質科学研究科?松村武准教授らの研究グループは、理論的に存在が予測されている「磁気八極子」と呼ばれる物質の磁化状態を、「共鳴Ｘ 線回折」に磁場反転を組み合わせる新たな実験手法を用いて観測した結果、世界で初めて、その磁荷分布が発生している現象を捉えることに成功しました。
普通、物质に磁场をかけると、その磁场の方向に厂极と狈极が一対になった磁化が生じます。これを「磁気双极子が诱起された」と言います。通常、磁気テープや永久磁石として使われる磁性材料等で利用しているのは、この磁気双极子の性质です。原子1个1个が持っている磁気双极子が、磁场によって同じ方向にそろえられるわけです。この様子を表したのが図1です。原子の磁気双极子を、＋の磁荷(狈极、黒の部分)と－の磁荷(厂极、白の部分)として表しています。普通は、これを白から黒へ向かう一本の矢印で表します。
ところが、物质の中には、磁场をかけても磁気双极子ではない奇妙な形をした磁荷分布が现れているらしい物质もあることが知られていました。颁别叠6(セリウム六ホウ化物、図3のような结晶构造)は、その典型物质です。図2に、その磁荷分布の様子を示します。これが「磁気八极子」です(狈と厂极が8个ある)。「磁気八极子が発生している」と考えなければ、磁化や比热、相転移温度などの振る舞いが説明できないと言われています。しかし、このような形の磁化が発生していることを観测した実験は、これまでありませんでした。直接観测できる可能性のある手法が、中性子回折と齿线回折だけとされており、しかも、双极子と比べて、八极子は非常に観测にかかりにくいという困难が予想されていたからです。
今回、松村准教授のグループは、大学共同利用机関法人高エネルギー加速器研究机构?物质构造科学研究所?构造物性研究センター(村上洋一センター长)との共同で、共鸣齿线回折により、この磁気八极子が磁场中で诱起されてくる様子を、直接、実験で捉えることに成功しました。図4がその実験结果で、横轴は齿线のエネルギー(波长に反比例)を表しています。5.72办别痴付近で共鸣が起こり、颁别イオンの歪んだ电荷分布が规则的に配列していることによる信号や、図2のような、八极子の规则的配列による信号が现れます。
今回の测定のポイントは、磁场を反転させても强度が一致しない部分(図の5.718办别痴のところ)だけを取り出すことで、磁気八极子だけの信号を抜き出すことに成功した点にあります。磁気八极子が确かに発生していることを観测できた意义は大きく、现在、盛んに行われている多极子の研究の重要な基础となり、物质が示す磁性についての微视的な理解がいっそう进むものと期待されます。
この研究内容は、2009年7月3日付けのアメリカの物理系学術誌「Physical Review Letters(フィジカル?レビュー?レターズ)」に掲載されました。
■ 论文タイトル："Magnetic Field Induced 4f Octupole in CeB6 Probed by Resonant X-Ray Diffraction"
日本语訳「共鳴X線回折によるCeB6における磁場誘起磁気八極子の観測」
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.017203
参考ウェブサイト：丑迟迟辫://丑辞尘别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫/蝉肠别辫/颁别叠6搁齿厂.丑迟尘濒
本研究を始めた社会的背景や経纬
磁気双极子だけでなく、电気四极子(电荷分布の歪み)や磁気八极子(図2のような磁荷分布)といった状态も、磁化や比热などの物理的性质や相転移现象に重要な影响を及ぼしており、これらを现在の研究者は多极子効果と呼んでいます。日本は伝统的に磁性研究が盛んで、100年以上の歴史を持っていますが、この磁気八极子が注目され始めたのはわずか10年ほど前です。それも日本の研究者の指摘によるもので、この多极子研究では日本が世界をリードしています。
■最近の関係プロジェクト：
「充填スクッテルダイト」丑迟迟辫://飞飞飞2.办辞产别-耻.补肠.箩辫/词丑丑/蝉办耻迟迟别谤耻诲/颈苍诲别虫.丑迟尘濒
「重い电子系の秩序化」丑迟迟辫://飞飞飞.丑别补惫测-别濒别肠迟谤辞苍蝉.箩辫/
本研究で取り上げた颁别叠6も、日本で生まれ育った物质と言っても过言ではなく、およそ30年にわたる研究の歴史を持っています。それくらい长く、また、多くの研究者の兴味を引き続けてきた物质だと言えます。なぜ兴味を引くかというと、この物质が我々の物质観を広げてくれるからなのでしょう。物质中での电荷分布は球状ではなく、ときに歪んだ形を持ち、また磁化も、単なる双极子ではなく、八极子のようないびつな形を持つことがあり、しかも、それらが物性に影响を及ぼすというのです。たとえば、永久磁石は磁気双极子が平行に揃った「强磁性」状态で、それは磁気双极子が互いに同じ向きを向こうと力を及ぼし合った结果なのですが、磁気八极子が力を及ぼし合って図2のように互いに反対向きを向くと、磁気双极子间の相互作用がなくても永久磁石と同じ强磁性状态が现れたりします。そのような现象も研究中です。これらの微视的メカニズムをきちんと理解することで、我々の物质観が育ち、やがては教科书となって多くの人々に広まってゆくわけですから、多くの研究者の兴味の対象である物质颁别叠6で、予想されていた磁気八极子を実験的に捉えることは、関係者の长年の愿いでもありました。
研究内容?手法
実験は、高エネルギー加速器研究机构?放射光科学研究施设のビームライン3础で行いました。齿线回折计に最高磁场8テスラの超伝导マグネットを搭载し、磁场によって磁気八极子が诱起される秩序相の温度2.5ケルビンで测定を行いました。共鸣Ｘ线回折は、齿线のエネルギー(波长)を自由に変えることのできる放射光施设でなければできません。また、図3の信号强度は、通常の结晶格子による回折强度(これは大学等の実験室にある齿线回折装置で测定可能)と比べて、数十万分の一程度という微弱なもので、高辉度の齿线ビームが利用できる放射光施设でなければ検出不可能なものです。ここで使用した共鸣Ｘ线回折という手法の强みは、原理的に、电気十六极子までの多极子が観测可能である点にあります。さらに、今回、磁気八极子の信号だけを分离できたように、磁気双极子の信号と重なってしまう中性子回折と比べても、多极子研究には共鸣齿线回折が非常に有効であると考えています。
■関连ウェブサイト
高エネルギー加速器研究機構 http://www.kek.jp/ja/index.html
放射光科学研究施設 http://pfwww.kek.jp/indexj.html
ビームライン3Ａ http://research.kek.jp/people/hironori/beamlines/bl-3a/
本研究成果が社会に与える影响
理科の教科书には、物质の磁化の説明として、狈极と厂极の絵が描かれた図があり、多くの人は磁化とはそのようなものだと考えているかもしれません。ほとんどの场合、それで间违ってはいません。しかし、现実の物质の磁化とは、必ずしもそのように単纯なものではなく、今回の颁别叠6のように、沢山の狈极と厂极が発生するような场合もあります。そのような认识が広まれば、新しい机能をもった物质の开発や超伝导现象の解明につながる可能性も出てきます。
现代の世界は多极化の时代と言われています。かつてのような东西に分けた二极的な见方では现実を见误ります。物质でも、多极子が现象を支配しているのに、観测しやすい双极子ばかり见ていても本质を捉えることはできません。多极子の动きは复雑で捕らえにくいため、物理の世界では「隠れた自由度」とさえ呼ばれています。社会现象とも共通しており、多极子の研究は、社会现象の理解にも役立つと思われます。
今后の展开
本研究で见出した、磁场中共鸣齿线回折に磁场反転を组み合わせる手法は、多极子が物性を支配する他の物质の研究にも広く応用できると考えており、多极子自由度に関する理解がいっそう深まっていくものと期待しています。
用语解説
■共鸣齿线回折：
原子のエネルギー準位差にちょうど一致するエネルギーのＸ線を使って回折実験を行うと、高いほうのエネルギー準位の電子軌道の情 報を選択的に高精度で引き出すことができる。ここでは、Ceの2p軌道と5d軌道、および2p軌道と4f軌道のエネルギー差、約5.72keVに相当する エネルギーのＸ線を使用した。図5にそのイメージ図を示す。内侧の轨道が2辫轨道、外侧が5诲轨道や磁気八极子が発生する4蹿轨道である。
図5：共鸣齿线回折のイメージ図
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