セミナー情報

第26回 原研・兵県大合同コロキウム

日時: 平成19年 6月11日(月) 16:00〜
Date and time: 11th Jun (Mon.) 16:00〜
場所: SPring-8, 萌光館
Place: SPring-8, "HOUKOUKAN" seminar room
講演タイトル: 擬一次元伝導性酸化物、β-バナジウムブロンズの超伝導と素数電荷秩序
Title: Superconductivity and Prime Number Charge Order in Quasi-1-Dimensional Oxide Conductors, β-Vanadium Bronzes
講演者: 山内徹 氏 (東京大学物性研究所)
Speaker: Dr. Touru Yamauchi (Institute for Solid State Physics, University of Tokyo)
Abstract: pdficon pdf file

今日の物性科学の中での、大きな流れのひとつである強相関電子系の研究は、物質中の電子物性 に寄与する電子の自由度、つまりは電荷やスピンや軌道自由度と、その電子の舞台である結晶格子 が複雑に絡んで織りなす、様々な電子状態の探索の歴史である。以下に紹介する物質とそれらが圧 力下で垣間見せる電子現象は、この歴史の中で特徴的な地位を与えられるに相応しいと、筆者は考 えている。

電荷秩序相と超伝導相が競合する物質、β-vanadium bronzeは 一般式 β-AxV2O5 (A=Li, Na, Ag, Ca, Sr, Pb, x 〜 0.33) で表すことが出来る、V4+とV5+の混合原子価状態の擬一次元伝 導性酸化物である。古くは強い電子格子相互作用によるポーラロン伝導、及びポーラロン間のスピ ン一重項形成(バイポーラロン)等がChakraverty等によって議論されて来たが[1]、1999年山田等 によって化学量論的に精密な単結晶が作成され、その結晶で金属伝導及び金属絶縁体転移が発見さ れ、さらに、その転移温度よりも低温で磁気秩序が発見されるに及び[2]、バイポーラロン描像は 完全に覆ったと言っていい。この様に複雑な履歴をもったこの物質系は、その後更に紆余曲折を経 る事になる。

この金属絶縁体転移は発見当初から、多くの混合原子価バナジウム酸化物で観測されているよう な、電荷秩序であろうと考えられて来た。現在でもこの描像は受け入れられている。問題はその秩 序構造が従来ものと異なり、sinusoidalな電荷分布をもつ、電荷密度波の様な構造をもつ事[3][4] である。

都合が良い事に、この奇妙な電荷秩序相は、実験的に精密測定が可能な10GPa程度の圧力で完全に suppressする事が出来る。このsuppressionに伴って、この物質群は実に様々な相転移を示す。大き くは2つ。一連の物質のなかで、Aが1価イオンであるLi, Na, Agで尚かつxが正確に0.33のとき、 7〜10GPa程度で、常圧基底状態である電荷秩序状態が融解し、超伝導状態が約6.5〜8.5 Kで出現する ことが一点。もう一点は、Aが2価イオンのCa, Sr及びPbのときには、圧力によってその電荷秩序状態 が抑制されているのにも拘らず超伝導相は出現しないが、非超伝導 β-Sr0.33V2O5において、前 例の無い、素数周期のみが現れる(はず?)電荷秩序相が大変狭い温度圧力範囲に密集している、悪 魔の階段状の温度圧力相図が得られた。この現象と超伝導相の不在との関係は大変興味深い。更には 圧力誘起リフシッツ転移らしきものも観測されていて、もうこの物質群は物質科学の「おもちゃ箱」 と言っても過言ではない。

A series of isostructural compounds, β-vanadium bronzes have been examined whether it has a superconducting phase or not under pressure. Here I will report that all stoichiometric compounds of mono-valent β-vanadium bronzes, β-A0.33V2O5 (A=Li, Na and Ag), show pressure-induced superconductivity beyond the charge ordering phases which are ground states at ambient pressure. The superconducting transition temperatures of these compounds are 6.5 K 〜 8.5 K at the optimum pressures. I will also report that slight off- stoichiometry easily breaks the superconducting phase. In addition to these mono-valent β-vanadium bronzes, I also demonstrate that β'-vanadium bronzes, crystallographically almost same compounds also show superconducting nature under pressure. These compounds have same carrier density with di-valent compounds (A = Ca, Sr and Pb). Successively, I have explored high pressure properties in residual members of β-vanadium bronzes, di-valent compounds using A-cation stoichiometry controlled single-crystals and have found absence of pressure induced superconductivity. In substantially higher pressure region where the charge ordering phases completely collapse and the charge disordering states are stabilized down to the sufficiently low temperature (〜2K), two kind of crossovers were observed with increasing pressure; quasi-1 to 2-conduction, dimensional crossover and randomness driven strong localization to weak localization crossover. In spite of absence of superconductivity, an enormous rich P-T phase diagram was unexpectedly observed only up to 2 GPa, especially in β-Sr0.33V2O5. The surprising discovery of ``devils stare case''-type phase transition and the quite complex P-T phase diagram itself demonstrate the existence of profound physics in these systems. The most wonderful thing is that all charge modulation periodicities at and around the ``devils stare case'' are odd and/or prime numbers. I will propose mechanisms to explain this delightful phenomenon. In β-Pb0.33V2O5, pressure induced anti-ferromagnetic ordering was observed at around 50 K above 0.5 GPa. Such a variety of many kinds of ground states; superconducting, charge ordering, spin gap and magnetic ordering phases and their competing are fascinating subjects and central issues in highly correlated electrons systems.

[1] 津田惟雄他 裳華房 物性科学選書 電気伝導性酸化物(改訂版)

[2] 山田浩之 学位論文

[3] 永井聡 学位論文

[4] 伊藤正行 Phys. Rev. B74, 054434 (2006).