研究ハイライト

金属材料研究所研究部門の研究

放射線金属化学研究部門の研究

超ウラン化合物で観測された「金属の顔」
〜ネプツニウム化合物で初めてのドハース・ファンアルフェン効果〜

青木大(A),本間佳哉(A),塩川佳伸(A)(B),山本悦嗣(B), 芳賀芳範(B),
中村彰夫(B),摂待力生(C),竹内徹也(D),大貫惇睦(C)(B)

 周期律表でウランの右隣に位置するネプツニウム(Np)は、超ウラン元素と呼ばれる人工放射性元素です。放射能が強く取り扱いが難しいために、これまでネプツニウム化合物の電子物性については、ほとんど調べられていませんでした。私たちは日本原子力研究所と共同研究を行い、ネプツニウム化合物の純良単結晶を育成して、世界で初めてドハース・ファンアルフェン(dHvA)効果の観測に成功し、Np の5f電子の電子状態を解明しました。
  原料となるNp金属は水溶液電解法で二酸化ネプツニウム(NpO2)から調製しました。(図1)この方法は、きわめて独特な方法で1g程度の少量の高純度金属を調製するのに優れた方法です。さらにフラックス法で新奇物質NpNiGa5、NpCoGa5の純良単結晶育成に成功しました。(図2)

 ネプツニウム化合物の物性はNpの5f電子が担っています。この5f電子の性質を調べる強力な実験手段がdHvA効果です。dHvA効果によって、「金属の顔」とも呼ばれるフェルミ面を決定できます。さらに電子がどれだけ重くなっているかを示すサイクロトロン有効質量が微視的に決定できます。

 私たちは超ウラン化合物で初めてNpNiGa5のdHvA効果の観測に成功しました。dHvA効果の実験は、その後NpCoGa5でも成功しました。図3 はNpCoGa5のdHvA振動とフェルミ面です。2種類の円柱状フェルミ面が存在し、Npの5f電子が準二次元的な電子状態を形成していることがわかりました。サイクロトロン有効質量は通常の10倍も重くなっており、5f電子が雲のようにゆっくりとたなびいて遍歴していることが分かりました。

 


参考文献
1) D. Aoki, E. Yamamoto, Y. Homma, Y. Shiokawa, A. Nakamura, Y. Haga, R. Settai and Y. Onuki
First observation of the de Haas-van Alphen effect in NpNiGa5
J. Phys. Soc. Jpn. 73 (2004) 519.
(J. Phys. Soc. Jpn.の“Letters of Editor’s choice”に選ばれました)

2) D. Aoki, Y. Homma, Y. Shiokawa, E. Yamamoto, A. Nakamura, Y. Haga, R. Settai, T. Takeuchi and Y. Onuki:
Single crystal growth of large-size and high-quality NpCoGa5 and its electrical and magnetic properties
J. Phys. Soc. Jpn. 73 (2004) 1665.

3) 青木大、本間佳哉、塩川佳伸、山本悦嗣、芳賀芳範、中村彰夫、摂待力生、竹内徹也、大貫惇睦
超ウラン化合物で初めて決定されたNpCoGa5の円柱状フェルミ面
固体物理 39 (2004) 537.

4) D. Aoki, Y. Homma, Y. Shiokawa, E. Yamamoto, A. Nakamura, Y. Haga, R. Settai and Y. Onuki
Two kinds of cylindrical Fermi surface determined by the de Haas-van Alphen effect in NpCoGa5
J. Phys. Soc. Jpn. 73 No.10 (2004)で印刷中

5) D. Aoki, Y. Homma, Y. Shiokawa, E. Yamamoto, A. Nakamura, Y. Haga, R. Settai and Y. Onuki
Quasi-two-dimensional Fermi surfaces in the flat antiferromagnetic Brillouin zone of NpRhGa5
Phys. Rev. Lett.に投稿

(A)東北大学金属材料研究所
(B)日本原子力研究所先端基礎研究センター
(C)大阪大学大学院理学研究科
(D)大阪大学低温センター


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