重い電子系

重い電子系：巨大な有効質量を持つ物質群

ランタノイドやアクチノイドを含む金属化合物は、その特異な電子状態から「重い電子系」と呼ばれます。これらの物質は、金属的な電気伝導を示しながらも、電子の有効質量が自由電子の数百度から千倍にも及ぶという驚くべき性質を持っています。代表的な物質として、CeCu6、CeAl3、CeCu2Si2、YbAl3、UBe13、UPt3などが挙げられます。

この巨大な有効質量は、電子間の強い相互作用、特にランタノイドやアクチノイドイオンに局在したf電子間の強い斥力に起因すると考えられています。f電子は、他の電子や磁場との相互作用によって動きにくくなり、あたかも質量が重くなったかのように振る舞うのです。この強い電子間相互作用は、強相関電子系として知られる物質群の重要な特徴であり、重い電子系はその研究対象として盛んに研究されています。

多様な物性：超伝導、磁気秩序、そしてそれ以上

重い電子系の魅力は、巨大な有効質量だけではありません。多様な物性を示すことも大きな特徴です。有効質量が大きいということは、電子の局在性が高まっていることを示しており、電子のスピン自由度が顕在化しやすくなります。そのため、多くの重い電子系物質は低温で磁気秩序を示します。反強磁性秩序が一般的ですが、強磁性秩序やその他の複雑な磁気秩序を示す物質も存在します。重い電子状態から磁気秩序状態への転移や、それらの状態間の関係は、重要な研究テーマとなっています。

さらに驚くべきことに、電子間斥力が非常に強いにもかかわらず、クーパー対を形成して超伝導を示す重い電子系物質も存在します。その超伝導機構は従来のBCS理論では説明できず、現在も解明が続けられています。重い電子系物質は、高温超伝導体の研究においても、特殊な磁場生成機構として注目されています。

また、低温で半導体的または絶縁体的な電気伝導を示す重い電子系物質も知られています。これらは近藤半導体、近藤絶縁体、近藤半金属などと呼ばれ、CeRhSb、CeRhAs、CePtSn、CeNiSn、YbB12、SmB6、Ce3Bi4Pt3などがその例です。

歴史と理論：フェルミ液体論と量子臨界現象

重い電子系の研究は、1975年にCeAl3の比熱の異常な大きさの発見を端緒として始まりました。その後、1979年にはCeCu2Si2において重い電子系超伝導が発見され、大きな注目を集めました。

高温では、重い電子系物質は通常の金属のように振る舞い、電子は相互作用を無視できるフェルミ粒子として扱えます。しかし低温では、電子間の相互作用を考慮したフェルミ液体論で記述されます。この理論では、電子の相互作用は有効質量というパラメータで表現されます。

局在モーメントと非局在化した伝導電子間の相互作用は、近藤効果とRKKY相互作用という二つの競合する効果を引き起こします。近藤効果は非磁性基底状態を、RKKY相互作用は磁気秩序状態をそれぞれ安定化させます。これらの効果のバランスは、物質の性質を大きく左右します。

特に興味深いのは量子臨界現象です。反強磁性体のネール温度を圧力や磁場、組成制御によってゼロに近づけると、量子相転移が起こり、非フェルミ液体的な振る舞いが見られます。この量子臨界現象は、非従来型超伝導の理解に繋がる重要な研究対象となっています。

まとめ

重い電子系は、その特異な電子状態と多様な物性から、強相関電子系の研究において中心的な役割を果たしています。巨大な有効質量、超伝導、磁気秩序、近藤効果、量子臨界現象など、多くの未解明な現象が秘められており、基礎物理学の進展に大きく貢献する重要な研究分野です。今後の研究により、さらに多くの驚くべき性質が明らかになることが期待されます。

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