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1次元2軌道Hubbard模型のスピンクロスオーバー領域における励起子相関、スピン状態秩序と磁場効果

北川 皓也 東北大学

2022.03.25

概要

強相関電子系では電子同士が強く相互作用している物質群である.電子が強く相互作用する物質では電子が局在することにより,電子の持つ電荷,スピン,軌道の自由度が顕在化し,それらが複雑に絡み合う.このような性質から,強相関電子系は,マルチフェロイクスやスピントロニクスにおける機能性材料開発の舞台として注目され,その物性が研究されてきた.

遷移金属酸化物は典型的な強相関電子系である.遷移金属酸化物では,強い電子相関の効果とd電子の軌道自由度を反映して,様々な現象が現れる[1].マンガン酸化物における巨大磁気抵抗効果や銅酸化物における高温超伝導はその一例である.遷移金属酸化物のうち,特にペロブスカイト型コバルト酸化物R1−xAxCoO3では,温度や圧力といった外的要因に応じて帯磁率や電気伝導性が変化する現象として,スピンクロスオーバー現象やスピン状態転移が見られる[2].ペロブスカイト型コバルト酸化物では,Coイオンにおける3d6電子の電子配置がクーロン相互作用に由来するHund結合と結晶場分裂が競合している。これによって,低スピン状態,中間スピン状態,高スピン状態がエネルギー的に拮抗している.したがって,外的要因によって電子配置が容易に変化する.これは,帯磁率の大きな変化などの形で物性に現れる.

近年,スピン状態が競合する場合に,スピン状態がサイトごとに異なる状態をとることで超格子構造を示すスピン状態秩序や,異なるスピン状態が空間的にコヒーレントに揺らぐことで混成している状態である励起子絶縁体が実現する可能性が指摘されている[3,4].

一般に,各スピン状態がエネルギー的に拮抗する場合には,量子効果によりスピン状態が共存することで非自明な電子状態が実現する可能性がある.スピン状態転移近傍における励起子絶縁体相とスピン状態秩序はそのような例の1つとして捉えることができる.

近年のLaCoO3を対象とした薄膜実験においては,多様な超格子構造を示すスピン状態秩序が観測されている[5].さらに,LaCoO3の強磁場実験において観測された強磁場相に対してはスピン状態の超格子構造の実現が提案されている他,磁場誘起の励起子絶縁体の実現が提案されている[6,7].

このような背景のもと,本研究では,スピン状態転移近傍における電子状態を理論的に明らかにすることを目的とする.特に,1次元2軌道Hubbard模型の低エネルギー有効模型の数値解析を軸として,励起子絶縁体と多様な超格子構造をもつスピン状態秩序の実現とその空間構造に注目する.

本章では,コバルト酸化物におけるスピン状態転移の導入を行った後,励起子絶縁体とスピン状態秩序に関連する近年の実験的,理論的な研究結果を説明する.最後に,それらを踏まえて本研究の目的について述べる.

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