大阪府立大学

レアアース化合物に価数の異なるイオンを 仲介する電子を発見―基礎物理学における重要な成果!価数転移現象の仕組みを解明―

更新日:2020年9月17日

本学 大学院工学研究科 安齋 太陽 准教授、広島大学 放射光科学研究センター 佐藤 仁 准教授、愛媛大学 大学院理工学研究科 平岡 耕一 教授らの研究グループは、レアアース化合物のイッテルビウム(以降、Yb)イオンの価数が急激に変化する価数転移現象(解説1)の仕組みを明らかにするために、高輝度シンクロトロン放射光(解説2)を用いた高分解能角度分解光電子分光実験(解説3)を行いました。

その結果、伝導電子とYb 4f電子(解説4)が量子力学的に混ざり合う様子を観測することに成功しました(図1)。伝導電子が価数の異なるYbイオンの間で電子を受け渡している証拠として、価数転移現象を説明する有力なメカニズムになります。これらの研究結果は、基礎物理学における重要な成果であり、レーザーや蛍光体などに活用される新しい光学材料の開発への指針になると期待されます。

なお、本研究の成果は、米国物理学会が刊行する学術雑誌「Physical Review Research」にて9月15日 午前0時(日本時間)にオンライン掲載されました。

論文タイトル「Abrupt change in hybridization gap at the valence transition of YbInCu4

図1(a)YbInCu4 (解説5)の固体中を運動する電子のエネルギーと運動量分布をエネルギー方向に二階微分した結果。(b)理論計算で予想される c-f 混成したバンド分散。

SDGs達成への貢献

大阪府立大学は研究・教育活動を通じてSDGs17の目標への貢献および地球全体の持続可能な発展に貢献しています。
本研究はSDGs17の目標のうち、「7:エネルギーをみんなにそしてクリーンに」と「9:産業と技術革新の基盤をつくろう」に貢献しています。

研究助成資金等

本研究は、広島大学放射光科学研究センターの共同研究委員会により採択された研究課題のもと実験が行われました。また本研究は、大阪府立大学科研費特定支援事業の支援を受けて行われました。

用語解説

解説1 価数転移現象

レアアースは、周期表の中で原子番号 21のスカンジウム(Sc)、39のイットリウム(Y)に加えて、57のランタン(La)から71のルテチウム(Lu)までの17種類の元素の総称です。その中でもセリウム(Ce)やユウロピウム(Eu)、Ybを含む化合物では、価数の異なるレアアースイオンが物質中に共存することがあります。このような化合物は、温度や圧力、磁場などの外部要因によりイオンの平均価数が変化する特徴を持ちます。通常は、外場の変化に合わせて価数は緩やかに変わります。まれに、ある特定の温度や圧力で価数が不連続に変わることがあります。このような現象を価数転移現象と呼びます。

解説2 シンクロトロン放射光

電子を光の速度まで加速し、磁石の力でその進行方向を曲げると、進行方向に沿って電磁波が放出されます。この電磁波のことをシンクロトロン放射光と呼びます。シンクロトロン放射光は、非常に明るい光 (高輝度)であり、赤外線からX線にいたる幅広い波長が得られる特徴を持ちます。材料分析や構造解析、電子状態解析などの実験でシンクロトロン放射光が活用されています。

解説3 角度分解光電子分光

物質に光を照射すると、光電効果により物質内部の電子が表面をのりこえて外部に放出されます。角度分解光電子分光では、光電子のエネルギーと放出角度を測定し、エネルギー保存則と運動量保存則を用いて物質内部の電子のエネルギーと運動量を決定します。電子のエネルギーと運動量の関係はバンド分散と呼ばれており、角度分解光電子分光実験で直接的に観測することができます。バンド分散の形やエネルギーは物質の性質を反映しているため、バンド分散を精度よく(高分解能に)観測することが重要になります。このような背景から、世界中で高分解能な角度分解光電子分光装置の開発が進められてきました。

解説4 伝導電子と4f電子

電子の空間的な広がり(波動関数)には、s軌道、p軌道、d軌道、f軌道という種類があります。s軌道やp軌道の電子は、固体の内部をあちこち動き回って電気を伝える特徴を持ちます。一方、レアアースのCe以降の元素は、最外殻の軌道よりも内側に電子で満たされていない不完全な4f軌道を有しています。この4f軌道は原子核の近くに分布する特徴を持ちます。レアアース化合物では、原子核の近くにくっついて動きにくい局在的な4f電子と固体内を動き回る遍歴的な伝導電子が互いに影響し合い、価数転移や超伝導などの珍しい現象を示すことが知られています。

解説 5YbInCu4

YbInCu4は、1986年にイスラエルの研究グループが合成した化合物です。この物質の特徴は、マイナス231度(絶対零度42K)付近でYbイオンの平均価数が急に変化する価数転移現象を示すことです。価数の急変にともない磁性や電気伝導性、格子定数も大きく変わります。YbInCu4の発見以降、価数転移の仕組みを解き明かそうと数多くの研究が行われてきました。

お問い合わせ

大阪府立大学大学院 工学研究科

准教授 安齋 太陽

Tel 072-254-9489 Eメール anzai[at]pe.osakafu-u.ac.jp[at]の部分を@と変えてください。