名大ら,結晶中の強く相関する電子雲の振舞い解明

名古屋大学,理化学研究所,帝京大学,早稲田大学,東北大学,東京大学,横浜国立大学,広島大学,高輝度光科学研究センターは,大型放射光施設SPring-8におけるX線回折・散乱実験によって,軌道自由度を持つ電子が異方性を持った揺らぎ状態として観測されることを明らかにした(ニュースリリース)。

電子は,原子核の周りに電子雲として存在するが,量子力学的に振舞うために離散的な軌道状態をとる。さらに,電子軌道の空間的な異方性は,固体物質の性質(物性)を支配する自由度の一つとして知られている。

これまで,秩序化した電子軌道の異方性の観測手法の提案はあるものの,軌道自由度を有して秩序化する前の状態については,直接議論されたことはあまりなく,実空間での形について明確なイメージは持たれていなかった。

研究ではスピネル型酸化物FeV2O4に注目。この物質はFe(鉄)とV(バナジウム)のイオンがM殻の中の3d軌道に,それぞれ6個と2個ずつの電子を持っている。3d軌道には,最大10個の電子が収容可能であることから,どちらのイオンも部分的に満たされた状態だが,強い電子相関によって電子が局在化した強相関電子系絶縁体となっている。

すなわち,電荷の自由度を持たない系だが,温度降下に伴って多段階の相転移を示すことが知られており,FeとVの軌道自由度の縮退の消失による軌道秩序化転移と磁気転移であることが,様々な方法で調べられてきた。

ところが,高温の軌道自由度が活きている場合に,どのような電子軌道の状態であるかを明確に示された実験はなかった。研究グループは,この物質の軌道縮退状態における複数電子の軌道状態の実験的な直接観測に取り組んだ。

研究グループは,電子軌道の観測手法として,放射光X線を用いたコア差フーリエ合成(CDFS)法による電子密度解析手法を提案している。この物質にCDFS法を適用して価電子密度の情報を取り出したところ,縮退軌道を持つ複数電子状態の直接観測に成功した。

このような電子状態の精密な測定が可能になった最大の理由は,放射光X線回折データの質が格段に上がったこと,さらに,この解析に用いた光子計数型検出器(PILATUS3 X CdTe)が放射光X線の特質を引き出せるように,様々な測定条件を最適化したことに起因するという。

今回,鉄とバナジウムの酸化物中の価電子雲のみを直接観測し,縮退した電子軌道分布状態を解明した。これについて研究グループは,巨大な応答を示す複数自由度の相関を考える上で,新たな知見を与えるものだとしている。

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