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2019年7月29日 12時55分
MotorFan / Infoseek 楽天 NEWS
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（画像）物質中の電子の広がりを可視化
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理化学研究所放射光科学研究センター物理・化学系ビームライン基盤グループ軟X線分光利用システム開発チームの久我健太郎客員研究員、可視化物質科学研究グループ量子状態可視化研究チームの木須孝幸チームリーダー、大阪大学大学院基礎工学研究科の関山明教授、藤原秀紀助教らの共同研究グループ※は、直線偏光[1]制御した硬X線[2]を用いた内殻光電子分光[3]により、局在性[4]の弱いイッテルビウム（Yb）[5]化合物における4f電子[6]の電子軌道波動関数[7]を決定した。
本研究成果は、本実験手法が、従来から利用された局在電子モデル[4]が成り立つ希土類[5]化合物だけでなく、原理的には遷移金属[8]を含む局在性の弱い化合物でも適応可能なことを示したことから、機能性材料開発が加速すると期待できる。
今回、共同研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」[9]にて硬X線の電場成分を水平あるいは垂直方向に直線偏光制御し、イッテルビウム化合物β-YbAlB4（Al：アルミニウム、B：ホウ素）に当てた際に放出される電子の放出方向やエネルギーを詳細に調べた。その結果、イッテルビウムが持つ4f電子の波動関数を精密決定することができ、さらにその空間分布が局在電子モデルから予想されるものと大きく異なっていることが分かった。これは、イッテルビウムが持つ4f電子がホウ素に由来する伝導電子[10]と強く混成[10]した軌道混成状態[10]を形成していることを示している。
本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters』の掲載に先立ち、オンライン版（7月17日付け：日本時間7月18日）に掲載された。
背景
物質の性質の多くは不完全殻[6]電子が担っており、不完全殻電子の状態を調べることは物質の性質を理解する上で必須。不完全殻電子は結晶場[4]で決まる電子軌道の波動関数（電荷分布）により電子同士の相互作用が大きく変わるため、その状態を知る上で波動関数の精密決定は重要だ。
電子軌道の波動関数は、立方晶のような単純な結晶構造の物質ではパラメータが少なく、実験的に決定することは比較的容易だが、直方晶のような結晶構造の対称性が低い物質ではパラメータが多く、波動関数を精密に決定することが難しくなる。また、電子同士の相互作用が強い場合も同様に、混成効果により電荷分布が変わるとともに物質の性質が複雑に変化するため、実験結果から波動関数を決定する上で困難が伴う。そのため、これらの条件下で波動関数を精密決定した例はなかった。
物質に光を当てた際に飛び出る光電子は、物質中の電子の化学的性質を含んでいることから、光電子を観測する光電子分光測定は物質科学において広く用いられている手法。光電子分光は、結晶場に由来する電子軌道の波動関数を観測する手段としても有効だ。特に希土類化合物に対し、電磁波である光の電場成分の方向を制御して、内殻電子に由来する光電子を数方向から観測すると、希土類化合物の性質を決める不完全殻の4f電子の軌道を知ることができる。しかし、この偏光制御内殻光電子分光はこれまで、混成が弱く（局在性が強く）結晶構造の対称性が比較的高い物質では多く成功してきたが、混成が強く（局在性が弱く）結晶構造の対称性が低い物質では成功例がなかった。
研究手法と成果
共同研究グループは、結晶構造が対称性の低い直方晶で、かつ混成が強い希土類化合物であるβ-YbAlB4（Yb：イッテルビウム、Al：アルミニウム、B：ホウ素）に対して、直線偏光制御した硬X線を用いて光電子分光測定を行った。β-YbAlB4は、約0.08K（−273.07℃）以下で超電導[11]となり、数少ないYb化合物超電導物質の一つとして、その起源解明が求められている。そのため、超電導発現に寄与していると考えられているYb 4f電子の波動関数の精密決定は非常に重要である。そこで、Ybイオンの3d[6]内殻電子に起因する光電子を測定することにより、物質中における3d内殻電子と4f電子の相互作用を通じて、Yb 4f電子の波動関数の決定を試みた。通常、混成が弱く結晶構造の対称性が比較的高い物質では2方向程度の光電子を測定するだけで充分だが、今回は合計5方向を系統的に測定し混成が強く結晶構造の対称性が低い物質でも電子の波動関数の精密決定を可能にした。
■■略
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