メスバウアー20年、多極子15年 : 低山徘徊40年

メスバウアー20年、多極子15年 : 低山徘徊40年

著者 小野寺 秀也

最終講義 2009年3月3日 最終講義 2009年3月3日

理学研究科 物理学専攻

小野寺 秀也

経歴 昭和４３年３月 東北大学工学部原子核工学科卒業 昭和４５年３月月 同 大学院工学研究科原子核工学専攻修士課程修了究 核 専 課 昭和４５年５月 東北大学工学部助手 同 ８月 同 金属材料研究所助手 平成１１年８月 同 助教授 平成１１年８月 同 助教授 平成１５年６月 東北大学大学院理学研究科教授

メスバウア 分光

メスバウアー分光

山本尚夫・小野寺秀也 「メスバウアー分光」 日本金属学会編 日本金属学会編 金属物性基礎講座１８巻「特殊実験技術」 アグネ技術センター、平成３年

メスバウア 分光の原理

メスバウアー分光の原理

アイソマ シフト(isomer shift) アイソマーシフト(isomer shift)

核ゼ ン分裂

核 極 分裂

核ゼーマン分裂

(nuclear Zeeman splitting) 核四極子分裂

メスバウア スペクト メ タ

Nd F

Bの

57

_{F メスバウア 効果 (1)}

Nd

₂

Fe

₁₄

Bの

57

_{Feメスバウアー効果 (2)}

非晶質合金

Fe

₉₂

Zr

₈

の

非晶質合金

Fe

₉₂

Zr

₈

の

161 Tb 6.9d complex β− E = 25 65 keV β 103.0 (keV) 74.57 3.30ns 7/2- 3/2-64 % E_γ 25.65 keV 43.84 25.65 0 0.78ns 28.1ns 7/2+ 5/2-5/2+ 10 % -400mm/sec < v < 400mm/sec 161_Dy 5/2 400mm/sec < v < 400mm/sec (57_{Fe の場合、±10 mm/sec程度)} Magnetic Quadrupole アイソマーシフト 内部磁場 I = 5/2--5/2 -3/2 -1/2 +1/2 Interaction Interaction 内部磁場 核四極子分裂 +5/2 +3/2 H_hf4f∝ 基底状態 〈J Z〉 I = 5/2+ +5/2 +3/2 -1/2 +1/2 -5/2 -3/2 1/2

正方晶

DyMn

₂

Si

₂

の

正方晶

DyMn

₂

Si

₂

の

正方晶

_DyMn

_y

₂

₂

_Si

₂

₂

の

斜方晶

_GdTC

₂

₂

_（T

_{=Ni, Co)の}

_,

₎

正方晶

DyAg

₂

Si

₂

の

正方晶

DyAg

₂

Si

₂

の

正方晶

DyAg

₂

Si

₂

の

正方晶

DyAg

₂

Si

₂

の

161

_{Dyメスバウアー効果 (2)}

反強磁性 + 反強八極子 反強磁性 + 反強四極子 反強磁性 + 反強八極子 反強磁性 + 反強四極子

?

正方対称化合物の

四極子秩序

四極子秩序

正方晶

TmAu

₂

の強四極子秩序

(1)

正方晶

TmAu

₂

の強四極子秩序

(1)

強四極子秩序 7.0K

（小坂昌史 D論）

反強磁性秩序 3.2K

_比熱

_弾性定数

結晶構造（MoSi 型）

結晶構造（MoSi

₂

型）

正方晶

TmAu

₂

の強四極子秩序

(2)

正方晶

TmAu

₂

の強四極子秩序

(2)

非弾性中性子散乱

斜方晶(orthorhombic) 正方晶(tetragonal)

粉末中性子回折

準位

4f 準位

磁化曲線

磁化曲線

正方晶

RB

₂

C

₂

の反強四極子秩序

(4)

正方晶

RB

₂

C

₂

の反強四極子秩序

(4)

L B C 型正方晶 (P4/ b )

D B C

LaB

₂

C

₂

-型正方晶 (P4/mbm)

DyB₂C₂ T_Q = 24.7 K    AFQ Transition T_N= 15.3 K    AFM Transition Ground state: Quasi‐quartet Ground state: Quasi quartet HoB₂C₂ T_N= 5.9 K     AFMTransition T_Q = 4.5 K     AFQ Transition Ground state: Quasi‐triplet TbB C

R

B

C

5 344Å

3 557Å (D

B C

)

TbB₂C₂ T_N= 21.7 K    AFM Transition Field‐induced AFQ Order

Ground state: Quasi‐doublet

HoB C

比熱

D B C

HoB

2

C

2

磁気相図

DyB

₂

C

₂

Neutron Powder 

Neutron Powder 

Diffraction

Diffraction

Diffraction

Diffraction

Diffraction Patterns of DyB2C2

k =[1 0 0] k =[0 1 ½]

DyB₂C₂ HoB₂C₂ φ 68° °

k

₁

=[1 0 0], k

₂

=[0 1 ½]

k

₃

=[0 0 0], k

₄

=[0 0 ½]

φ₁ 68 70 φ₂ 208° 221° φ₃ 145° 139° ° ° 3 φ₄    285° 290° ω     ω     7777°7777° 7070°77 ° ω: ω: angle between neighboringangle between neighboring moments along the  moments along the cc‐‐axisaxis moments along the 

Resonant X

Resonant X‐‐ray Scattering

ray Scattering

Resonant X

Resonant X ray Scattering

ray Scattering

AFQ Structure 

f Ph

 II

of Phase II

K. Hirota et al., Phys. Rev. Let. 84(2000)2706. 

Summary on Phase Diagram

Ⅰ ：

_{Paramagnetic and Paraquadrupolar （PM、PQ) phase}

y

g

Ⅱ

：

_AFQ

_phase

with field-induced moments

Ⅱ

’

_：

_AFQ

_phase

_{with magnetically ordered moments}

Ⅱ

’’

_：

_{partly broken}

_AFQ

_{phase (B // [1 0 0])}

Ⅲ

：

₍

_AFQ

₊

_AFM

_{) phase}

Ⅲ

：

₍

_AFQ

₊

_AFM

_{) phase}

Ⅲ

’

_：

₍

_AFQ

₊

_{partly broken}

_AFM

_{) phase (B // [1 1 0])}

14 12 DyB₂C₂ B // [100] C - T 14 12 DyB₂C₂ B // [110] C T 10 8 B (T ) C_p- T M - B M - T 10 8 B (T ) II' C_p- T M - B M - T 6 4 2 I II III II'' II' 6 4 2 I II III' 0 40 30 20 10 0 T (K) II III 0 40 30 20 10 0 T (K) II III

161

_{Dyメスバウアー分光}

T 以下で急激に減少

Dyメスバウア 分光

T

_N

以下で急激に減少

820 810 通常の反強磁性体と 異なる振る舞い 800 790 ld ( M H z) DyB2C2 異なる振る舞い 790 780 ype rf ine F ie l 820 660 El e T_N DyB_６ 770 760 H y T_N 810 800 790 erfi ne Fi el d ( M H z) 655 650 645 ec tric F iel d G rad ie nt ( DyB₆ y _６ 750 25 20 15 10 5 0 T (K) 780 770 Hy p 35 30 25 20 15 10 5 0 T (K) 640 (MH z) y ₆ HF EFG AFQ構造とAFM構造の競合競合により内部磁場が抑えられる。により内部磁場が抑えられる。 T (K)

161

_{Dyメスバウアー分光}

_{Dyメスバウア 分光}

0＜ x ＜ 0.6

Y concentration dependence of hyperfine field 780 Dy Y B C

Y

₀1 760 (MH z) Dy_1-xY_xB₂C₂

Y

₀0 740 ype rf in e F ie ld ( 720 H y 0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Y

1 0

Gd希釈効果

Gd希釈効果

T

Phase Diagram

Resonant X‐ray Scattering

䎘䎓 Dy₁ Gd B₂C₂

T‐x Phase Diagram

y

g

䎗䎓 䎖䎓 era tu re ( K ) Dy_1-xGd_xB₂C₂ I(PM) 䎕䎓 an sit ion T em p e II(AFQ) IV (AFM) 䎔䎓 䎓 Tr a 䎔䎑䎓 䎓䎑䎛 䎓䎑䎙 䎓䎑䎗 䎓䎑䎕 䎓䎑䎓 Gd content x T_N T_Q III (AFQ+AFM) Gd content, x

Dy

_0.8

Gd

_0.2

B

₂

C

₂

Magnetic B-T Phase Diagrams

I ： PM(paramagnetic)、PQ(paraquadrupolar)

III ：AFQ+ AFM

III’：AFQ+ partially destroyed AFM (B // [1 1 0])

IV：AFM

IV’： partially destroyed AFM

四極子秩序から

四極子秩序から

極

秩序

TbB

₂

C

₂

の反強八極子と反強磁性の共存

(a) 帯磁率の温度依存性と2 0K での低磁場 (b) 強磁場磁化曲線のDyB₂C₂、HoB₂C₂

(a) 帯磁率の温度依存性と2.0K での低磁場 磁化曲線

(b) 強磁場磁化曲線のDyB₂C₂、HoB₂C₂ との比較

TbB

₂

C

₂

の反強八極子と反強磁性の共存

TbB

₂

C

₂

の反強八極子と反強磁性の共存

TbB

₂

C

₂ の磁気構造

Q = [0,1,1/2 ]

、Q = [0,0,1/2]、Q_L = [1±δ,±δ, 0] (δ = 0.13) NdB₂C₂、SmB₂C₂、GdB₂C₂、ErB₂C₂ [1 0 0] AFM

D B C H B C [0 0 1/2 ] AFQ [1 0 0] AFM

TbB

₂

C

₂

の反強八極子と反強磁性の共存

TbB

₂

C

₂ の弾性定数C₆₆264) _Ce

0.75La0.25B6 の弾性定数231)

264) 尾関文崇: 修士論文(新潟大学 平成15 年) 264) 尾関文崇: 修士論文(新潟大学、平成15 年). 231) O. Suzuki et al., J. Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 926.

TbB

₂

C

₂

の反強八極子と反強磁性の共存

と

帯磁率

比

(a) x-T 磁気相図

(b) 2K とT

N

での帯磁率の比の

Gd濃度依存性

30 25 PM Tb_1-xGd_xB₂C₂ 20 AFM1 ) 10 15 AFM2 Ⅳ T (K ) 5 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 x

TbB

₂

C

₂

の反強八極子と反強磁性の共存

Tb

Tb

_{0 940 94}

Gd

Gd

_{0 060 06}

B

B

₂₂

C

C

₂₂

の粉末中性子回折

の粉末中性子回折

Tb

Tb

_0.940.94

Gd

Gd

_0.060.06

B

B

₂₂

C

C

₂₂

の粉末中性子回折

の粉末中性子回折

T

_O

転移で

c軸方向が

反強磁性結合

から強磁性結合に変化

700 800 0 1 1 1 1 0 0 1 /2 2.7K (IV) 18K (AFM1) Tb_0.94Gd_0.06B₂C₂ 500 600 M 0 0 1 -M 3 0 1 /2 2 2 1 1 -2 1 1 + 2 0 M 2 1 1/2 0 1 + 1 0 1 -M 1 0 1 0 1 + 18K (AFM1) / 230kcnt ) 300 400 M M 2 M 2 2 M 1 M 1 M 0 (C O U NTS / 100 200 I 0 10 20 30 40 50 60 0 2θ( deg )

Tb

_1-x

Gd

_x

B

₂

C

₂

の磁気相図

10 R - T x = 0.06 _{x = 0.15} x = 0.2 x = 0.25

1 x

x

2 2

気

B

// [100]

(AFM) 6 8 M - B M - T C - T T ) DyII'100 DyII'100 PM DyII'100 AFM AFQ (AFM) AFQ 2 4 PM III B ( T DyIII DyIII PM AFM1 DyIII AFM2 PM DyIII PM 0 0 5 10 15 20 25 30 35 T (K) T (K) T (K) AFM1 IV T (K) 0 5AFM210 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 AFM2 AFM1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 AFM1 AFM1 10 x = 0.06 x = 0.15 x = 0.2 x = 0.25

B

// [110]

AFM 6 8 T ) II' DyII'110 AFM AFQ AFO 2 4 B ( T PM AFM1 DyIII AFM1 PM DyII'110 PM AFM1 PM DyII'110 0 0 5 10 15 20 25 30 35 T (K) T (K) T (K) T (K) AFM1 IV 0 5 10 15 20 25 30 35 AFM2 AFM1 0 5 10 15 20 25 30 35 AFM1 AFM2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 AFM1 AFM2

これから

これから

（希土類パラジウムブロンズ

_{RPd S}

の楽しみ）

（希土類パラジウムブロンズ

_RPd

₃

_S

₄

の楽しみ）

NaPt₃O₄型構造 _(Pm3n)

R

Pd

S

S

DyPd

₃

S

₄

の反強八極子秩序の可能性

中性子回折

D Pd S

の磁気相図

DyPd

₃

S

₄

の磁気相図

L. Keller et al., Phys. Rev. B

63 (2004) 060407.

E. Matsuoka et al., J. Phys. Soc. Jpn. 76 (2007) 084717.

弾性定数

新潟大 吉川拓摩（後藤研）

PrPd

₃

S

₄

の反強八極子と反強磁性の共存

P Pd S

の磁気相図

5

PrPd

₃

S

₄

の磁気相図

200 400 600 T = 3.0 K 210 211 220 110 u nits) 4 5 _{C M} [100] [110] 0 200 400 600 110 ensi ty (arb .u T = 0.7 K M300 220 211 210 M210 2 3

O d

d

H (T) [ ] [111] 0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 Int e M311 M300 M221 M111 110 M100 1 2

Ordered

phase

Para

H 0 10 20 30 40 50 60 2θ (deg) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 T (K) T (K)

k

= (1 0 0)のAFM

PrPd

₃

S

₄

の反強八極子と反強磁性の共存

TbPd

₃

S

₄

の反強八極子と反強磁性の共存

TbPd

₃

S

₄

の磁気相図

4 5 C T

TbPd

₃

S

₄ [100] [110] [111] 6 8 10 T = 2 K [110] B // [100] TbPd₃S₄ B /Tb) 3 4 C-T M/B-T M-B B (T) 00 1 2 3 4 5 6 7 2 4 [111] M ( μB B (T) 1 2 PM AFQ B PM AFQ PM AFQ

0 AFM+? AFM+? AFM+?

3 0 1 2 3 4 1 2 4 0 T (K) PM T (K) 0 1 2 3 4 5 PM T (K)

磁気構造

k

= (1 0 0)のAFM

E M k l J M M M 231 (2001) L23

TbPd

₃

S

₄

の反強八極子と反強磁性の共存

磁場でM/Bの 1.8 _{1.5 T -0.1} 折れ曲がり温度 増加。 2.4 1.5 -0.3 -0.2 60 80 ) 6 8 d( M /B 比熱同様に 2 1.8 ol) d( M /B 1 T 3 -0.6 40 60 C (J /m ol ·K ) 4 B // [111] B = 0.1 T B )/d T (emu / 比熱同様に 二つの異常。 2 1 2 (emu/m o B )/d T (e m 0.5 T 6 0 0 20 C 0 2 B = 0 /mo l·K) T_N以下でM/B急減。 通常のAFMカスプと 1 2 M /B m u/mol ·K 0.35 T 6 0 3

d(M/B)/dT と比熱の

0 1 2 3 4 5 0 T (K) 通常のAFMカスプと 異なる。 磁場でM/Bの急減 1 2 K ) 0.25 T 0 3 6

d(M/B)/dT と比熱の

ピーク温度が一致。

温度減少。 1 2 ZFC B = 0.1 T B // [111] 0 3 6

T

_N

：一次相転移

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 T (K) 0

AFOとAFMの同時転移

NdPd

₃

S

₄

の磁場誘起四極子と反強磁性の共存

NdPd S

の磁気相図

CePd

₃

S

₄

の反強八極子と強磁性の共存

磁化率の温度依存

性

中性子回折

性

磁化過程

k

= (1 0 0)

t d AFM

canted AFM