「悪魔の階段」転移を示す希薄キャリアセリウム化合物の新奇な強相関電子機構の研究

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強相関電子系における局在・遍歴電子間の相互作用は多くの研究者の興味の的となってきた。なかでも CeSb は「悪魔の階段」と呼ばれる最も複雑な磁気相転移現象を示すことで知られる。この現象の発現機構は、これまでの膨大な実験にも関わらず未だ謎のままである。そこで本研究では、CeSb の磁気秩序相における微細な電子構造や多体相互作用を受けた準粒子の変化を捉え、「悪魔の階段」の起源に迫ることを目的とした。そのために、超高エネルギー分解能を達成した最新のレーザー角度分解光電子分光 (ARPES) による遍歴電子の直接観測を行った。また、レーザーラマン散乱分光による Ce 4f 結晶場励起の直接観測や非弾性 X 線散乱によるフォノン分散の測定を組み合わせ、多面的に多体相互作用の変化を調べた。さらに、こうした測定をCeSbの類似物質で「悪魔の階段」を示さないCeAsでも行って両物質を比較し、なぜ CeSb に「悪魔の階段」が起こるのか理解することを目指した。この中で、報告者は 「悪魔の階段」の背後に存在する電子構造及びフェルミオロジーの強烈な温度変化をレーザーARPESで詳細に観測した。また、秩序化した Ce 4f 準位間の四重極 励起に対応するボソンが極低エネルギーで発達していることをレーザーラマン分光で確認し、この多極子的な特性を有したボソンと伝導電子が結合した新たな準粒子の形成によるバンド構造の再構成を見出した。さらに、CeAs では CeSb と異なり、局在電子とフォノンによる複合的な励起に対応するボソンが発達し、伝導電子と結合していることを明らかにした。本研究のこうした成果から、遍歴電子・局在電子・フォノンが複雑に絡み合った準粒子の形成が「悪魔の階段」の姿として本質的であることが見出され、「悪魔の階段」を創発する微視的機構の解明に新たな視座が提供された。