重い電子状態の形成・成長過程の直接観測に希土類化合物において初めて成功

　九州大学大学院工学研究院の河江達也准教授、志賀雅亘研究員(元工学府博士課程学生、日本学術振興会特別研究員、現：東京大学物性研究所特任研究員) 、稲垣祐次助教の研究グループは同大学院理学研究院の和田裕文教授、光田暁弘准教授、福岡工業大学の丸山勲准教授らと共同で、希土類物質中のf軌道電子が伝導電子と相互作用して重い電子状態を形成する過程で誘起するフェルミ面近傍における電子状態の変化を直接観察することに初めて成功しました。

　希土類元素は強力な永久磁石の構成材料になるなど、その化合物が示す多彩な性質は様々な先端科学分野で利用されています。
　このような希土類化合物の特性は、f軌道の不対電子が電気伝導を担う伝導電子と量子力学的な相互作用をすることに起因しています。特に電子の量子性が顕著に現れる低温下では、この相互作用によって、近藤効果や重い電子状態などの様々な量子現象が発現することが知られています。一方、電子状態密度測定などの微視的な手法を用いた、重い電子状態の形成・成長過程に関する研究報告は限られていました。そこで、研究グループは、Eu系では例外的に低温において非整数の価数を持ち重い電子状態の形成が報告されているEuNi2P2に注目し、点接合分光法を用いて電子状態密度測定を行いました。その結果、温度の低下に伴い点接合分光信号が大きく変化し、電子状態密度が変移して行くことを見出しました。この温度依存性について理論計算を用いた詳細な解析を行ったところ、信号の変化は温度低下に伴い近藤効果によって遮蔽された各格子点上の希土類イオンの電子雲が結晶全体に広がり重い電子状態へ移行したと考えることで、よく理解できることが分かりました。つまり、点接合分光法を用いたフェルミ面近傍の電子状態密度の測定という微視的観点より、温度低下に伴うEuNi2P2の重い電子状態の形成・成長過程の詳細が明らかになりました。

　本研究は科学研究費(課題番号：25220605, 25287076, 26600102, 19J12194）の支援を受けました。本研究成果は米国物理学会発行の学術誌Physical Review Bの速報版である Letter(旧Rapid Communications)のオンライン版に2021年1月25日(月)付で公開されました。

（図）
(a)近藤効果の模式図。近藤温度(TK)以下では、希土類イオン（f軌道電子）と伝導電子（黒丸）の量子力学的な相互作用により、希土類イオンの磁気モーメント（赤矢印）が遮蔽され電子雲を形成する。
(b)重い電子状態の模式図。温度がTKより十分低温では、近藤効果による遮蔽により電子雲を形成した各格子点上の希土類イオン間に一様性が出現・成長し、その間を動き回る伝導電子の有効質量が増加する。