Ultrasonic Team (T. Yanagisawa, Hokkaido Univ,)    
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3-2 四極子感受率
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Topics: 超音波からみた多極子・ラットリング
2. 超音波実験の測定手法 »


3-6 重い電子系に対する超音波実験

Sep 29, 2011
本稿は、新学術領域研究(研究領域提案型)「重い電子系の形成と秩序化」が主催した「重い電子系若手秋の学校’11」のテキストブックをHTML化したものです。

第3章 超音波実験の測定手法

 

3.6 重い電子系に対する超音波実験


続いて,$f$電子の遍歴性が強く,混成効果が効いている重い電子系に対する超音波実験について述べる.CeCu$_6$やCeRu$_2$Si$_2$等のスピン自由度に由来する近藤効果が効いている系では,一般的に多体効果の影響は全対称表現$¥Gamma_1$に対応するバルクモジュラスに現れ,対称性を低下させる横波弾性定数には現れない.一方,Coxらが提唱する非クラマース$¥Gamma_3$二重項に対する近藤効果である四極子近藤効果などのマルチチャンネル近藤効果ではその異方性を反映して横波弾性定数に$-¥log T$の温度依存性が現れるなどの理論予測がある[40].後者のマルチチャンネル近藤効果の実験的検証はまだ中途の段階にあるので,ここでは従来型の磁気近藤効果由来の重い電子系に於ける縦波弾性定数の温度依存性の典型例を示そう.

先ずはL$¥ddot{¥rm u}$thi先生の超音波電子物性の教科書から一枚の絵を抜粋する.これは重い電子系の縦波超音波の典型を表した模式図である.3つの領域に分けて説明しよう.


図18 典型的な重い電子系の縦波弾性定数の温度依存性


(1) $T > ¥Theta_D$の高温領域とバックグラウンド

電子-格子相互作用の影響が無い場合,弾性定数は降温と共にほぼ線形に上昇する.もし,調和近似を基にフォノン間の相互作用を考えなければ,弾性定数は温度に依存せず一定となり,熱膨張は存在しない.しかし,一般的に弾性定数は昇温と共に減少し(軟化し),固体は膨張する .それは調和近似の破綻を意味する.現実の系では非調和項の影響から$T > ¥Theta_D$の温度領域で弾性定数のバックグラウンドは$-T$に比例した温度依存性を示す.$T = 0$でそのバックグラウンドは$-T^4$に比例して低温で一定値に収束する.(図の点線)これはデュロン・プティ則により格子比熱が$T^3$に比例(即ち,内部エネルギーが$T^4$に比例)することに対応している.$-T^4$の温度依存性が成り立つ温度領域を決めるのは一般的に難しく,その温度依存性は現象論的に

C_{ij}=C_{ij}^0-¥frac{s}{¥exp(t/T)-1}
(25)

と表す事ができる[41].($s, t$は任意の定数)

(2) $T ¥sim ¥Delta$の結晶場効果

結晶場レベルの分裂幅$¥Delta$に対応した温度領域で,四極子感受率に起因するソフト化が生じる.例えば立方晶O$_{¥rm h}$群に於いて縦波弾性定数$C_{11}$は,バルクモジュラス$C_{¥rm B}$と$¥Gamma_3$対称性の$(C_{11}-C_{12})/2$モードの線形結合の形で$C_{11}$=$C_{¥rm B}$+4/3$(C_{11}-C_{12})/2$と表されるので,$¥Gamma_1$対称性の電気十六極子$(O_4^0+5O_4^4)$と,$¥Gamma_3$対称性の四極子$O_2^2$の感受率があらわれる.

(3) $T < T^¥ast$の強い電子-格子(グリューナイゼンパラメータ)結合¥¥

重い電子系では,$T < T^¥ast$において音響フォノンによる準粒子の散乱が無視できなくなる. ($T^¥ast$は多体効果の特性温度で磁気近藤効果の場合$T^¥ast ¥sim T_{¥rm K}$と考えてよい.)それが起源となった強い電子-格子相互作用によりポテンシャル変形が生じ,体積変化に対応する縦波モード(即ち$¥Gamma_1$対称性の歪み$¥epsilon_Β = ¥epsilon_x+¥epsilon_y+¥epsilon_z$に対応するバルクモジュラス$C_B$を含むモード)において弾性異常が現れる.この効果は一般的に対称性を低下させる歪みに対応する横波モードには現れない.この音響フォノンと準粒子の結合はグリューナイゼン定数によって現象論的によく説明できることが知られている.グリューナイゼン定数は熱力学的関係式$(¥frac{dT}{d¥epsilon})_S = (¥frac{¥partial T}{¥partial S})_{¥epsilon}(¥frac{¥partial S}{¥partial ¥epsilon})_T$から以下のように定義される($S$はエントロピー)

 ¥Omega = ¥alpha_{¥rm T} ¥frac{C_{¥rm B}}{C_{¥rm V}}=-¥bigg( ¥frac{¥partial ¥ln T}{¥partial ¥epsilon_{¥rm V}} ¥bigg)_S
(26)

ここで,$α_{¥rm T}$は等温過程における熱膨張係数,$C_{¥rm B}$はバルクモジュラスで等温圧縮率$¥kappa$の逆数として定義される. $C_{¥rm V}$は定積比熱である.図19と図20にそれぞれCeCu$_6$とCeRu$_2$Si$_2$の弾性定数の温度依存性を示す[42,43].CeCu$_6$は220 Kに斜方晶から単斜晶への構造変化に伴うソフト化が横波$C_{66}$モードに観られる[43].より低温領域では明瞭な結晶場効果が縦波$C_{11}$, $C_{22}$, $C_{33}$と横波$C_{44}$に現れ,低温で収束するが,$T < 5$ Kで近藤一重項の形成が始まるにつれ,$C_{11}$は低温でさらにもう一段階ソフト化を示す[44].CeRu$_2$Si$_2$は対称性を低下させる横波モードに明瞭な結晶場効果は観られず,体積歪みに関連した縦波モード$C_{11}$, $C_{33}$に特に顕著なソフト化が観られる.このような体積歪みに関係した縦波モードのみに現れる弾性異常は$4f$電子が遍歴し準粒子バンドを形成していると考えられているCeSn$_2$, CeNi, CeNiSnなどにも共通して観られる.


図19 CeCu$_6$の弾性定数の温度変化 [43]



図20 CeRu$_2$Si$_2$の弾性定数の温度依存性 [42]


結合定数$¥Omega$が正で大きな値を持つ場合,近藤一重項が形成されると共に体積収縮が起こることが熱膨張測定などで確かめられている.これをKondo Volume Collapseという.$T = 0$におけるその体積変化の大きさは多体効果の特性温度$T^¥ast$(近藤温度のオーダー)を用いて

¥epsilon_{¥rm V}^0 = -n k_{¥rm B} T^¥ast ¥frac{¥Omega}{C_{¥rm B}}
(27)

と見積もることができる.ここで$n$は単位体積あたりの磁性イオンの数であり,$n ¥sim 10^{28} [m^{-3}]$程度であるとする.重い電子系において実験的に求められたグリューナイゼン定数の典型的な値は$¥Omega ¥sim 100$程度,多体効果の特性温度を$T^¥ast ¥sim 10$ [K], ボルツマン定数$k_{¥rm B} = 1.38 ¥times 10^{-23} $[J K$^{-1}$], バルクモジュラスを$C_{¥rm B} ¥sim 10^{11}$ [J m$^{-3}$]とおくと,体積歪みの大きさは$¥epsilon_{¥rm V} ¥sim 10^{-3}$となり,研究室レベルのX線装置でも検出できるような,かなり大きな変化であることがわかる.実際にCeRu$_{2}$Si$_{2}$で格子定数の変化が観測されており,$T ¥to 0$の外挿値は$¥epsilon_V ¥sim 1.4 ¥times 10^{-3}$程度と見積もられ[45],上式で良く再現される.
一方,URu$_2$Si$_2$やUPt$_3$などアクチノイド系の重い電子系では上記のグリューナイゼン定数による弾性応答が成り立たない例も報告されている[42,46,47].これらの系では超音波の周波数が電子散乱時間に近づき,超音波の伝搬において断熱近似が成り立たなくなっていることが推測され,エネルギー散逸を考慮した等温弾性率を用いた特別なアプローチが必要である.


(第4章に続く)

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