Title <研究ノート>重い電子系人工超格子CeCoIn[5]/YbCoIn[5]における NMR による研究

Author(s) 山中, 隆義

Citation 京都大学物性科学センター誌 : LTMセンター誌 (2016),28: 13-22

Issue Date 2016-06

URL https://doi.org/10.14989/217823

Right

Type Departmental Bulletin Paper

Textversion publisher

Kyoto University

重い電子系人工超格子CeCoIn5/YbCoIn5におけるNMRによる研究 NMR studies on heavy-fermion superlattices CeCoIn5/YbCoIn5

山中隆義

大学大学 学研究科物 学第 分 Takayoshi Yamanaka

Department of Physics, Graduate School of Science, Kyoto University

A superlattice is a multilayered structure of two or more materials and its characteristic structure is expected to show fascinating phenomena originating from the two dimensionalization, its interfaces, proximity effects, and so on. In the studies of the superlattices, microscopic information of each block layers (BLs) and its interfaces will lead us to understand the superlattice physics more in details, but such measurements have not been reported so far. To investigate the electronic and magnetic properties of each BL in the superlattices, we have performed a nuclear magnetic resonance measurement, which is one of the most suitable microscopic probes, on the CeCoIn5/YbCoIn5 superlattices. We clarified that in the CeCoIn5 BLs (Ce BLs), antiferromagnetic (AFM) spin fluctuations are suppressed whereas the YbCoIn5 BLs show a conventional-metal behavior. Furthermore, we distinguished the signals of Ce BLs arising from the inner and interfacial layers, and found that AFM fluctuations are suppressed at the interfacial layers.

相関電子系 ， の い電子相関のた に 温超

に 表 る 々 い が発 いる

に ンタ 系化 物のよ に，f 電子

の が物性に する化 物 とり け い電子相

関が いる 在性の い f の電子 ，低温に

おい 大 2 の 状 をとる f 電子が

電子と ， 性を 得する とによ る重

い電子状 る の状 電子相関の を

電子の 質量が 電子の 100 と に

1000 に 大する 電子を とする

超交 相 用，い る Ruderman-Kittel- - 田

RKKY 相 用による 状 る の 2 者の

状 の に る f 電子と 電子の の Jcf によ り， のた におい

者の状 が り る量子 QCP が 在する [1] の QCP

が 発 ， 超 い が 報告 いる の と 在，

力 に研究が いる

た， と に い分 の と ， 人工超格子が る 人工超格子 2

の の物質を 格子 の 交 に た構 り 5(a) ，

の 構 ，2 次 化， BL の ， に する い物性

1. 重い電子系 に る

Doniach の相 [1] RKKYの相 用の大 に する温

TRKKY，TK が ると QCPが る

13

が る とが る 人工超格子

体 金 の 化物 ， 々 物質

いたが，重い電子系化 物の人工超格子 2010 年の

H. Shishido .による CeIn3/LaIn3の の を

よ た[2] CeIn3/LaIn3 人工超格子

CeIn3 BL を する と ，2 次 性 AFM 量

子 る電 の温 性が る

と ，f 電子の人工 次 制 を い

ると る に 2011 年，Y. Mizukami に

よ 重い電子系超 体 CeCoIn5 と 金

YbCoIn5 る人工超格子 た [3]

CeCoIn5/YbCoIn5 ，重い電子の超 が 2 次 に

る け ，超 温 Tc CeCoIn5 BL を

する とに がる のの， c2 Tc

の に robust るとい る いが た 2 の c2 の robustness ，

CeCoIn5-YbCoIn5 BL の における 所 性の に起 する の

分 によ パウリ が 制 た のと た[4] のよ に，CeCoIn5/YbCoIn5

人工超格子 超 を た重い電子の物性と人工超格子 る を た研究 を

供 た

重い電子系超格子に 超格子の 構 に する物 を する ，

BL を に た 報 に る ， のよ 報を に得る

と に る と ， のよ が いる とが

る 電 ， 化 ， の 表 物 量の ， ン 全体を する とに

に 人工超格子が る の 在 超格子の研究を とする 化 の

よ 物性の ，超格子の 分に に大 体 分 を持 のた

大 ウン が ， ン の 号を る のよ を

するた に， 者 の る核 法 NMR を 用する と 超格子

研究に新た 法を する とを た の超格子を構 する CeCoIn5 と

YbCoIn5の 物性の り，NMR の と NMR が超格子の研究に る を

する 者 が にCeCoIn5/YbCoIn5人工超格子 たNMR研究[5]に い する

CeCoIn5 4 回 性を持 ，Ce-In と Co-In4 が 重 た 構 をとる 5(a) Co

性が低い とが ン おり[6]， 状構 を

2次 構 をとる[7] 電 40 K に ー を持 ， より低温 金 に する，

重い電子系に る f 電子の 在- ス ー ーが る 3(a) 電子の 質量に

する電子 係 温とと に ， 超 を 制 た 低温 1 J/mol K2

に 大する 3(b) [8] CeCoIn5 重い電子系超 体の り， の Tc 2.3 K と 在

いる Ce 系超 体の中 い Tcを持 による超 パウリ 性 が

る と の る[9-11 ] た，In を 性の Cd Hg に の パ

2. Mizukami による CeCoIn5/ YbCoIn5の

-T 相 ータ 超 を

た の CeCoIn5 BL の が CeCoIn5

格子 る とを表す

14

ーセン た け AFM が る と [12, 13]，CeCoIn5 AFM 量子 に

する物質 ると いる 超 ャ の 性が る[14-17] と AFM

量子 を と た超 が いると いる に

Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov超 新 [18-20 ]が報告 いるが する

，YbCoIn5 mK の低温 性 金 と る 3(c) [21] Yb が 2

ンと おり f が 構 をとるた る

研究の 法 る NMR に い する NMR 核ス ンを ー と た 法

り，電子ス ンとの超 相 用を 電子の 報を得る とが る 中における核ス

ンの ン� 核ス ンを�， ン を2� た を�と のよ に

る[22] � � �� ���

�� � �����1 � ������

�� ���6 ������ � ��� � 1

2 ����� � ��� ��

�� ー ン による ，�� 核 回 ，� ，����た る � 電子ス ンが 子核 に る 所 によ る の を表

， 所 化 に相当する �� 核の りの電 が る電 と核ス ンとの に 電 重

相 用を表 ，核ス ンが� � 1�2の の する � 目する 子核 電 が 大

に る り，�� の次 を持 電 重 相 用の大 に する量，� � に

における電 の 性を表す量 る の ンに 核ス ンの

3. CeCoIn5[8]と YbCoIn5[21]の 物性 (a)CeCoIn5

の電 化 : // c， : c の

温 性 重い電子系に る電 の

ー 構 が ， 化 温 在 ー ン を

たキ リー・ ス に (b)CeCoIn5 にお

ける の温 性 3 K 0.42 J/mol K2， 超

を 制 低温にす 1 J/mol K2 と 電

子の の をとる (c)YbCoIn5における電

の温 性 低温 液体

T2 に

(c)

15

ー が り，NMR の ーに たス が得 る ー ン

の の が に分 するの ， の 号 いが，電 重 相 用

が 動 に ると， 々の が ， = 7/2 7 ， = 9/2 9 とい

にス ン の大 に 分 た 号が る ��の 1 次 動 とると の

ン る 次のよ に る

� ����1 � � ��� ���2 � 1

2 �� � � 1� � � � 2 �1�

， と の の を と ， の る

人工超格子における NMR の 号 が い とい と る

NMR の 号 いる 子核の に するの 状の超格子 ン に 号

が るが，体 に の する け い NMR 核ス ンの 起に MHz ー ー

の交流 を用いるた ，金 物質 表 によ 表 い い m の

い い り表 が NMR にと 重要 る 1mm

の 保 い のが るのに ， 超格子 mm mm の

る た 号 を とが るた ， 号

の 性 る

NMR ス を けるパ ータ ��， ，��，� る 核 回 �� 子核に固

の ， 素 け 体によ る た �� � 物質 の 中の によ

る を持 よ NMR 素， 体，物質 を分け る とが

る の い 性が超格子の研究に に 用 る の BL に する 号に い 核ス

ン-格子 1/T1を する と ， の の電子 ・ 報が得 る の

を け る 過 に の 性とい 性質を 用 超格子の 物性を

た研究 が るの ， の を する

1987 年に 木， によ Cu と Nb る超格

子に NMR が た[23] 体におい

Nb 9 K 超 に るが，Cu 低温

る 4 の に た NMR ス

のよ に，Cu/Nb 超格子におい Cu の 号が

に得 いる ，Nb の 号と Cu の

号を得 るの � における��の いによる の

る [ の�� 63Cu: 11.285 (MHz/ T), 65Cu: 12.089

(MHz/T), 93Nb: 10.405 MHz/T] のよ に得 た Cu

の 号における核ス ン-格子 1/T1 の が

体 る ( ) = 3.6 kOe の ，( )

環法とい 法を用い ， 質 に における1/T1

を た の る におい 超

に る ー ンス ー が 4.2 K い

る 3.6 kOe の を けると1 T に ，い

るKorringa とい 金 に る る いを

， によ 超 が 制 いる とが

4 R. Aoki による Cu/Nb 超格子に

する Cu-NMR[23] 体 ; Cu の 1/T1.の温

性 ( ) = 0 kOe 環法によ

る ( ) = 3.6 kOe Cu/Nb 超

格子における Cu-NMR ス

16

る 木， の より， Cu い超 が，人工超格子によ Cu に 起

た とを に た

の研究におい Cu と Nb の 号を分け たの 核 回 ��が Cu と Nb

る をとるた る の に Co/Cu 超格子[24]およ Co/Fe 超格子[25]における Co-NMR，

Fe/Mn 超格子[26]における Mn-NMR い の研究が るが， 者が た り， ��のの いに 目 号の分 を いる NMR のス におい ，��による 号の

業 り， に に る ��の を た ， 目する 素

が の BL に い い とが要 る のた に NMR を 用 る超格子の

回の CeCoIn5/YbCoIn5人工超格子 ，NMR =核ス ンを持

Ce 核が に と 在 ，Yb NMR 体の 在 10 と 状 ン

い よ BL を するに Co In 核 NMR を いが，

BL に 在する 素 る 系の超格子の に のよ ース 々に 起 ると

る のよ ， のよ に 号を分 ， す よいの の

た に NMR の のパ ータに 目する 要が る に たよ に，NMR ス

に するパ ータに ，��およ �が る 物質 によ るの ，

超格子 BL る と る とが る

者 の研究[5] 用いた ， 大学 学研究科の 田 教 ・ 教 の ー

により Molecular beam Epitaxy 法 c に ， た CeCoIn5 500 nm，

600 相当 ，YbCoIn5 350 nm， 400 相当 CeCoIn5( )/YbCoIn5(5)人工超格子 = 5,

9 る 超格子 の( ) CeCoIn5 BL(Ce BL)，YbCoIn5 BL(Yb BL)が 格子

，5 の る とを表す BL 交 に 回 おり， = 5 40 回， = 9

30 回 り いる CeCoIn5 MgF2 の に いるが，YbCoIn5

の にCeIn3 28 nm を，超格子 CeIn3 28 nm とYbCoIn5 15 を と いる

ン の 5 mm 8 mm る c に 10 T け，

114.5 MHz に固 NMR ス 1/T1 を た の と た核59Co ( = 7/2)およ 115In ( = 9/2) る

Ce(Yb)CoIn5 Co が 1 ，In が 2 在する 5(a) In の CeIn の

中 に する 性の い を In(1)， に する 性の い を In(2)と とに

する NMR とにス を分 るの ， 5(b)の CeCoIn5 ・

YbCoIn5 るよ に 59Co と 115In(1) (2)の 号が の核ス ンの大

に た に分 た た In の�� り大 ，分 が いた 5(b)

の の い い 号 る のス が たお

NMR パ ータを る とが たの ， の CeCoIn5とと に表 1 に お

と の CeCoIn5を ると， nm の の おおよ と よ

パ ータ に いる とが る いが るの MgF2 と ン の に格

子 の ス が るた に，格子が とに起 いる

17

5. (a) Ce(Yb)CoIn5の 構 と超格子構 の 構 の 子 いる矢 ， の

における電 の 大 3 の を表す (b) ン における10.4 T – 13.5 T の による NMR ス (c)115In(1)の�1 2 �1�2の に する 号 の

ス の 大 *およ た 号 を持 ン の る と

CeIn3の115In ると る

，超格子 5(b)の中

に ー ス

が得 た の のス

る 号とおおよ

超格子に 号が る に る

が， 59Co 号 のよ に

構 を持 と と

る 目 たのが 115In(1)にお

ける � �1 2 �1�2の に当た

る 号 12.12 T る 12.12 T の 大 を 5(c)に す と超格子のス を

分 るよ に，CeCoIn5 の 号と におい 超格子 号が

た 矢 に YbCoIn5 いる 2 の In 号に する ，超格子の

号 矢 が た のよ ス の により，超格子の 115In(1) 号を

の BL の 号と に た 5(a) たよ に In(1) 電 の が c

を い おり， 回の における と る た 4 回 性が る とを

� � り に ン と いる (1) におい � � 1�2を す

ると に

� ���1 � � ���と ける するが� � ると 2 次 動 る を固

を た よ 115In(1)の � �1 2 �1�2 号が る の に

， 5(c)中の の を � と が に大 る 号 低 に 動

する CeCoIn5 Ce の f 電子の ー ン による大 化 を 大 が

るが， YbCoIn5 性 金 るた ， 化 を

表 1 NMR ス た CeCoIn5

CeCoIn5，YbCoIn5 の NMR パ ータ Nuclear Sample c (%) ��(MHz) �

59Co CeCoIn5 (Bulk) 3.39 0.230 0 CeCoIn5 (Film) 3.58 0.302 0 YbCoIn5 (Film) 1.58 0.285 0

115In(1)CeCoIn5 (Bulk) 1.12 8.15 0 CeCoIn5 (Film) 1.14 8.04 0 YbCoIn5 (Film) 0.18 6.22 0

115In(2)CeCoIn5 (Bulk) 5.16 15.7 0.404CeCoIn5 (Film) 5.55 15.5 0.375YbCoIn5 (Film) 0.40 14.0 0.490

18

を持 超格子のス におい ， BL の 化 を た の いにより 号を

分 たとい と ，超格子の の BL が 格子に の の

の性質 を いる とを いる のよ に 号の分

に た と ， BL の物性を る とが るよ に た

ン

1/T1 ス ン の大 を表 ，核 の動 化 の に する 1/T1115In(1)の

�1�2 �1�2に する 号 た 6 に 1/T1を温 た 1/T1T の温 性を す

の CeCoIn5 ，AFM 量子 を 1/T1T 低温に け 大 い

る の CeCoIn5 温 性を す と と 質 物性の

い い とが る い Yb BL に関する ータを いた たい Yb BL = 5, 9 のい

におい の YbCoIn5と いを いる と に 1/T1T が温 に

と る Korringa が る と ， 液体 電子状 を いる り，Yb BL 超

格子の中におい 金 と る おり，Ce BL の f 電子の が Yb BL

い い とを表 いる たが BL の相関 に ，

f 電子が の の中に た系 ると る いの Ce BL の 1/T1T

る Ce BL が る とに系 に 1/T1T が いる とが 研究 に た

に が ると低次 化が ，相関する が するた に ると

る が ， 研究 に する 1/T1T おり，低次

化 る のと の る い た CeCoIn5 AFM 量子 が

り， のよ ，1/T1T キ リー・ ス に た ， すると

に る CeCoIn5 の T1T 1 次関 よ る( 7) 超格子の Ce BL におい

T1T に る が る 7 の の にキ リー・ ス に いた

( � � �� )の を た に 化が顕 の キ リー に する り，Ce

6 ン およ BL の 115In(1)における

NMR-1/T1T ン が CeCoIn5，

YbCoIn5 ， が CeCoIn5(9)/ YbCoIn5(5)のCe，Yb BL ， が CeCoIn5(5)/ YbCoIn5(5)のCe，Yb BL の 1/T1T る

7 CeCoIn5 Ce BL の T1T vs T が 系 ， の

がキ リー・ ス の ， り 次関

に る ン の

の の に た

19

が ると に する と ， Ce BL が るに 制 い

とが る の 制の起 いるの

状

た Ce BL における AFM の 制に い

るた に，ス に い より る

8 の(a)(b) 超格子の Ce BL の が = 5 と 9 の NMR

ス を た の る 目す Ce BL が

ると，Ce BL の 号の ， に低 分 ~12.12

T の が いる る の

の 号 8(a)に の たよ に CeCoIn5

に いる よ = 5 のス が

た低 分 に た環境に る 115In(1)

の 号と る の とを におい 9 に

た超格子の を いた たい Ce BL の中におい

BL の に い ， た

に分ける とが る に 1

目と 2 目 い の が のとする

のと の が に た環境に る と

る = 5, 9 の の いが，

の = 5 の が おり，

た 8(a)(b)におけるス の とよ いる

たが ， 8(b)の矢 たよ に Ce BL の 号に

おい 低 が に い に ， に

分 に する 号と る 12.12 T に る In(1) 号 の

に するの ， に 化 が するよ に分 い

る とに る の の 1/T1T に い たのが 8(c) る = 5, 9

と に が大 ， に が い ≈ に い = 9 の が大

を いる に = 5, 9 と に 1/T1T おり，

の と AFM の 制が に い

とを いる に，12.18 T におい = 5, 9

の 1/T1T に が いの ，Ce BL の に い

の 報を いる とに いると

る

の より， におい CeCoIn5 の AFM

が 制 いる とが た にお

い AFM 量子 が 制 たの

の と 々が いるの ， に る

における 所 性の に起 する

相 用の る 9 に たよ に

8 CeCoIn5( )/YbCoin5(5) ( = 5(a),

9(b))における 115In(1)の � �1 2�1�2 号 のス の

CeCoIn5 のス (c)における 1/T1T

9 超格子における と

の と の 所

性の により

分 た

c

20

性が た に に電 � が る のと ス ン- 相 用

の 性を持 � � � � � �

に ，電子ス ンが 回りと 回り に よ に が分 する

におい ， � � � �� �� り F る た パウリのス ン

り， の分 の大 に する の によ が分 すると ス

ン が を けるた ， CeCoIn5 た AFM が 制 る

と る たが ，CeCoIn5/YbCoIn5超格子におい の が 性質を大

する を担 いると る

CeCoIn5の超 AFM が と いると おり，超格子におい Ce BL

を AFM 量子 が 制 る と ， 研究におい Tcが い る い

2 をよ する 1 たよ に， の c2が robust る と による

パウリ の 制 る[4] たが Tcの c2の robustness の と

， の の BL の が超格子の物性に 重要 ると る

とが る

た， 研究 により，NMR が 超格子， に の の研究に 用 法

る とが 者の にお分 りいた けたと に の いによ BL

・ を分け る とが た と 大 る 者が た り のよ

NMR による研究 報告 た 物質固 の るの ， の物質

る超格子に 用 と る ， 物質固 のパ ータ る�� �とい 電

相 用パ ータ 超格子の研究に 用 ると る ，NMR が超格子

・表 系の物性研究の 流 法の と り，より い の と，超格子の物性研究に

い とを いる

の研究 ， 者の 大学大学 学研究科 における る 研究 ，

教 る 田 教 ， 質 を 供 いた いた 大学 学研究科の 田

教 ， 教 大学新 科学研究科 ，低温物質科学研究センターの 教

との 研究 り，研究 におい 大 お に り た 更に， 者の所 研究 の

教 ， 教， た， 大学 学研究科の 教 ， 教 ，Robert Peters

講 ， 大学物性研究所の 田 教に 義 をいた いた た， 研究の低温

LTM センターが供給する寒剤が の た の をお り にお

す

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山中 隆義 Takayoshi Yamanaka 2006年 学 業 2011年 大学 学 業 2013年 大学大学 学研究科 2016年 大学大学 学研究科

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