大型放射光施設 SPring-8

公開日

2011年06月14日

2011年6月14日
独立行政法人日本原子力研究開発機構
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構

発表のポイント
● 非弾性散乱Ｘ線の偏光特性（X線の振動方向についての規則）を調べる手法を開発
● 偏光特性を調べることが、励起状態における電子の軌道状態（電子の広がり方）の識別に有効であることを実証
● 超伝導などの物性・機能の発現の仕組みの解明を加速するものと期待

● 研究開発の背景と目的
　遷移金属化合物には、銅酸化物における高温超伝導やマンガン酸化物における巨大磁気抵抗効果など、有用な性質を示す物質が数多く存在していることが知られています。また、これらの物質では電子の間に強い相互作用が働いており、その理論的な取り扱いは非常に難しいことから、基礎科学的な観点からも数多くの研究が続けられています。その主役となるのが遷移金属原子中の電子（d電子）であり、物質中でのd電子の広がりの様子（軌道状態）が電気の流れやすさや、相互作用の伝播方向など、遷移金属化合物の性質を決める上で重要な役割を果たすことがしばしば見られます。従って、遷移金属化合物においては、軌道状態を識別した上でその振る舞いを調べることが、物質の性質を理解する上で不可欠となります。遷移金属化合物中の電子の運動状態（エネルギーと運動量）を調べることができる実験手法として、共鳴非弾性Ｘ線散乱法が発展してきています。この手法は、最先端の放射光Ｘ線を用いることでようやく可能となった新しい分光法です。しかしながら、運動状態を調べる上での有効性は認められてきたものの、d電子の軌道状態を実験のみで区別することは困難であり、これまでは理論計算の助けが必要でした。

● 研究の手法
　今回、独立行政法人日本原子力研究開発機構（以下、原子力機構）量子ビーム応用研究部門の石井賢司研究副主幹らのグループは、光の持つ重要な特性である偏光に着目し、共鳴非弾性Ｘ線散乱における偏光特性を調べることで軌道状態を識別することができるのではないか、と考えました。そこで、まず、Ｘ線の偏光状態を分離して検出することができる偏光解析装置を製作し、大型放射光施設SPring-8の原子力機構量子ダイナミクスビームライン（BL11XU）に設置されているＸ線非弾性散乱分光器にとりつけました。SPring-8の蓄積リングから出てくる放射光Ｘ線の偏光方向は良くそろっているので、それをそのまま試料に入射し、実際の実験では試料により散乱された側のＸ線の偏光特性をこの偏光解析装置により調べることになります。偏光解析実験の概念図を図2に示します。一方、試料面では、電子の複数の励起状態を見るため、d電子軌道状態が整列した銅フッ化物KCuF₃を選択しました。単結晶の精度が実験の精度にも影響することから、KEKの村上洋一教授らはブリッジマン法^※6にて高品質の単結晶を育成しました。

● 得られた成果
　測定で得られた共鳴非弾性Ｘ線散乱スペクトルの一つを図3に示します。赤丸と青丸が実験データで、それぞれ図2に示した散乱X線の赤と青の偏光状態に対応しています。図3には、対応するエネルギー位置にd電子軌道状態もあわせて示しています。（0 eVにある軌道状態をエネルギーの基準に取っています。）

● 今後の予定
　本研究は、共鳴非弾性Ｘ線散乱における散乱Ｘ線の偏光特性を世界で初めて調べることに成功し、この手法がこれまで不可能であったd電子の軌道状態を変える励起の識別に有効であることを示したものです。一般に、光の偏光特性と電子の軌道状態の持つ対称性とは厳密に結びついていると考えられており、今後、共鳴非弾性Ｘ線散乱の偏光特性を調べることで、理論計算に頼らず実験のみから物性に関わる電子軌道状態を決定できるようになり、さらには、超伝導や磁性など遷移金属化合物の物性発現機構解明が加速されると期待されます。

《用語説明》
※1　遷移金属化合物
銅（Cu）やニッケル（Ni）など、周期律表で第3族から第11族に属する遷移金属元素を含んだ化合物を遷移金属化合物と呼びます。これらの物質では、遷移金属元素中の不対電子であるd電子が電気伝導や磁性などの物性を担うことになります。

※2　軌道状態
原子中の電子は、エネルギーや角運動量に応じて様々な形をした広がりを持っており、その形状を軌道状態と呼びます。遷移金属化合物での物性の主役となるd電子は、多くの場合、図1に示したいずれかの軌道状態をとることが知られています。

※3　共鳴非弾性Ｘ線散乱
物質に照射したＸ線が試料によって散乱される際に、試料との間にエネルギーの授受があるものをＸ線非弾性散乱と呼びます。Ｘ線は物質中の電子と同程度の運動量を持っているため、Ｘ線非弾性散乱ではエネルギーに加えて運動量の授受も可能であり、そこから電子の運動状態を調べることができます。また、試料中の構成元素の電子準位間に対応するエネルギーを持つＸ線を利用した場合は散乱強度に共鳴増大効果が生じるため、特に、共鳴非弾性Ｘ線散乱と呼ばれています。今回の研究では、銅の電子準位間に相当するＸ線を利用することで、銅のd電子の軌道状態を選択的に観測することができました。

※4　偏光
Ｘ線などの電磁波は、進行方向に対して垂直方向な電場と磁場が振動しながら進んで行きます。その電場がどちらを向いているかを偏光と呼びます。SPring-8などの放射光Ｘ線では、ほとんどの場合、偏光は水平方向を向いており、今回の実験でもその水平偏光したＸ線をそのまま試料に入射しました。

※5　銅フッ化物KCuF₃
この物質中は、2種類のd電子軌道状態が互い違いになって周期的に配列した軌道秩序の典型物質として知られています。軌道秩序の結果、磁気相互作用の伝播方向が一軸方向で強くなっており、一次元磁性体としても数多くの研究がなされています。

※6　ブリッジマン法
一定の温度勾配がある炉内に原料を置き、端から徐冷することによって結晶を育成させる方法。本研究では試料を静止させたままで、温度勾配のみを変化させる静置冷却式を採用しました。通常行われる下降式ブリッジマンに比べ、引き下げ時に生じるモーター振動による結晶成長への影響を排除できるためです。