共同研究・競争的資金等の研究課題

• 強相関電子系物質におけるパリティ混成と電気磁気効果, Parity mixing and electromagnetic effects in strongly correlated electron systems, 松村 武; 稲見 俊哉; 道村 真司; 谷田 博司; 世良 正文; 長尾 辰哉; 田中 新, Matsumura Takeshi; INAMI TOSHIYA; MICHIMURA SHINJI; TANIDA HIROSHI; SERA MASAFUMI; NAGAO TATSUYA; TANAKA ARATA, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 広島大学, Hiroshima University, 2015年04月01日, 2018年03月31日, 反転対称性が破れた結晶構造をもつ磁性体では，電場によって磁化が現れたり，磁場によって電気分極が現れたりといった，異なるパリティ軌道間の混成(d-pやd-f)やジャロシンスキー・守谷相互作用を起源とする電気・磁気の非対角応答が発生する．本研究では，磁場誘起型電荷秩序を示すSmRu4P12における電気磁気効果，CeRu2Al10系化合物におけるトロイダルモーメントの観測，キラル磁性体におけるらせん磁気構造とキラル磁気ソリトン格子の観測を通じて，対称性の破れた系における各種秩序現象について共鳴X線散乱を主軸とするミクロな観測手段で詳しく調べた．, In magnetic materials lacking an inversion symmetry, unusual properties of off-diagonal responses take place, such as electric field induced magnetization or electric polarization induced by magnetic fields, which are originating in d-p and d-f parity mixing and Dzyaloshinskii-Moriya antisymmetric interaction. In this research, we have investigated microscopic ordered structures of three main substances using resonant x-ray diffraction. First, the electro-magnetic effects in SmRu4P12 exhibiting magnetic-field-induced charge order. Second, ordering of toroidal moments in the cycloidal magnetic structure of GdRu2Al10. Third, the formation of chiral magnetic soliton lattice in Yb(Ni,Cu)3Al9., 15K05175, kaken

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• スピン軌道結合が強い系の素励起と共鳴X線散乱の理論, Theory of resonant inelastic x-ray scattering and elementary excitations in the systems with strong spin-orbit couplingt, 長尾 辰哉, Nagao Tatsuya, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 群馬大学, Gunma University, 2015年04月01日, 2018年03月31日, スピン軌道相互作用(SOI)の強いイリジウム酸化物の秩序状態における素励起の性質を調べるため、共鳴非弾性X線散乱(RIXS)スペクトルを理論解析した。電子の遍歴性が強い場合に適した取り扱いに基づいたRIXSスペクトル解析の定式化に成功し、フント結合と電子間クーロン相互作用に起因する、新奇な磁気分散のバンド分裂の存在を予言したり、SOIが比較的弱い系の散乱強度が異常を示す可能性を発見するなど、様々な成果が得られた。, In order to investigate the properties of elementary excitations from iridium oxides, known as the systems with strong spin-orbit interaction (SOI), I have studied the resonant inelastic x-ray scattering spectra (RIXS) of the systems. On the basis of the itinerant electron scheme, I have developed a theoretical framework for the spectral analysis. I have obtained several new findings. For instance, the presence of a new type of the band-splitting of the magnetic dispersion attributed to Hund's coupling and Coulomb interaction, anomaly appeared in the RIXS intensity in the systems with moderate SOI, and so on., 15K05157, kaken

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• 極低温共鳴Ｘ線回折と完全偏光解析による磁場誘起多極子秩序の研究, Magnetic field induced multipole orderings studied by resonant x-ray diffraction at very low temperatures with full polarization analysis, 松村 武; 道村 真司; 稲見 俊哉; 松岡 英一; 椎名 亮輔; 長尾 辰哉; 谷田 博司; 世良 正文; 伊賀 文俊; 稲見 俊哉, MATSUMURA Takeshi; MICHIMURA Shinji; INAMI Toshiya; MATSUOKA Eiichi; SHIINA Ryousuke; NAGAO Tatsuya; TANIDA Hiroshi; SERA Masafumi; IGA Fumitoshi, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(B), Grant-in-Aid for Scientific Research (B), 広島大学, Hiroshima University, 2012年04月01日, 2015年03月31日, f電子系化合物で発生する多彩な電子秩序相を共鳴X線回折を使って研究するため，極低温と磁場という環境に加えて，入射X線偏光制御システムを構築し，完全偏光解析をも同時に行う環境を整えた．このシステムをフル活用することで，Ce0.7La0.3B6における磁気八極子秩序相や，PrPd3S4, DyPd3S4, CePd3S4といった物質での多極子秩序状態が磁場によってどのように変化するかをミクロに調べ，微細なメカニズムを明らかにした．また，長年の謎であったSmRu4P12の中間秩序相の実態が，磁場誘起電荷秩序状態であることを突きとめることに成功した．, We have constructed an experimental system for resonant x-ray diffraction at very low temperatures with full polarization analysis, which is utilized for studies of various kinds of multipole ordered states of f-electron compounds. By fully utilizing this system, we have clarified microscopic mechanisms of octupole ordered phase in Ce0.7La0.3B6 and quadrupole ordered states of PrPd3S4, DyPd3S4 and CePd3S4. In addition, we successfully found that the unknown ordered state in SmRu4P12 is an field induced charge ordered state, as has recently been theoretically predicted., 24340087, kaken

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• 複雑な秩序変数をもつ系における共鳴ｘ線散乱の理論, Theory of resonant x-ray scattering in the systems with complex ordering, 長尾 辰哉, NAGAO Tatsuya, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 群馬大学, Gunma University, 2011年, 2013年, 共鳴X線散乱(RXS)には弾性過程、非弾性過程があり、それぞれ物質の基底状態、励起状態の性質を調べるのに適している。本研究では、特に秩序変数が複雑な系を対象に、定量性をもったRXSスペクトル解析用の理論を構築した。非弾性過程に対し、複数の自由度が活性な系、秩序の相関が短距離な系を、弾性過程に対しては多極子秩序系を対象とした。これらを銅やIrの酸化物、希土類化合物に適用した結果、実験結果を再現したり、重要な予言に成功し、これらの物質の性質に対する理解の進展に大きく寄与した。, Resonant x-ray scattering (RXS) consists of elastic and inelastic processes. The former and latter are suitable for invesitigation of the ground and excited states, respectively. In this study, I have developed theories for analyzing the RXS spectra quantitatively, in particular, for the systems having complex ordering patterns. The inelastic process has been analyzed in the systems where multiple degrees of freedoms are active and those exhibit short range order, while the elastic process has been formulated in the systems possessing multipole order. The theories have been applied to some cuprates, iridate, and rare earth compounds and have succeeded in explaining the experimental results and predicting intriguing outcomes, which provide the progress in achieving the deeper understanding of the properties of such systems., 23540402, kaken

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• 強相関電子系における共鳴X線散乱の理論的研究, Theoretical study on resonant x-ray scattering from strongly correlated electron systems, 五十嵐 潤一; 高橋 学; 長尾 辰哉, IGARASHI Junichi; TAKAHASHI Manabu; NAGAO Tatsuya, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 茨城大学, Ibaraki University, 2008年, 2010年, 強相関電子系における共鳴X線散乱および関連するX線分光スペクトルを、詳細な電子構造を取り入れた模型を基礎に研究した。空間反転対称性の破れた系においては、磁気電気効果に起因する特徴的なスペクトルが共鳴弾性散乱、X線吸収、光吸収、二次高調波発生等において観測されている。その詳しい計算を行い、機構を解明するとともに実験結果をよく説明した。また、LaMnO_3におけるMn-K端非弾性散乱における波数に依存するスペクトルの計算を行い、中間状態における内殻正孔を遮蔽するために生じた電荷励起から生じている機構を明らかにし、実験事実をよく説明した。, We have studied resonant x-ray scattering and related x-ray spectroscopy by constructing models based on detailed electronic structures. For systems with breaking space-inversion symmetry, we have clarified the origin of the characteristics in resonant x-ray scattering, x-ray absorption, optical absorption, and second-harmonic generation through detailed calculations. In the resonant inelastic x-ray scattering form LaMnO_3, we have calculated the spectra depending on the momentum transfer, having concluded that they arises from the charge excitations screening the core hole in the intermediate state., 20540308, kaken

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• 内殻励起状態の第一原理計算法の開発とX線分光スペクトルへの適用, 五十嵐 潤一; 高橋 学; 長尾 辰哉; 西川 裕規, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 特定領域研究, 茨城大学, 2007年, 2008年, 内殻励起スペクトルの第一原理計算の確立をめざして、内殻正孔ポテンシャルの遮蔽効果を研究し以下の成果を得た。 1. X線光電子分光(XPS)スペクトルの第一原理計算プログラムの開発をすすめた。今年度はプログラムの改良を進め、前年度のFeの計算に引き続き、強磁性CoおよびNi 3s内殻XPSスペクトルの解析を行い、実験結果をよく説明した。この方法の特徴は、光電子の生成により内殻正孔ができたときのポテンシャルのもとで、1電子波動関数をバンド計算により求め、その結果をもとに電子分布を変えることで励起状態を構成し、内殻正孔のない1電子波動関数との重なり積分を計算することにより、XPSスペクトルを求める点にある。内殻正孔1個を含むスーパーセルを用いたAPW法によりバンド計算を行い、波動関数を求める。この成功により、多くの内殻XPSスペクトルの第一原理計算への道が開けたと考えられる。 2. 軌道秩序を示す典型物質であるLaMnO3のMn-K吸収端近傍における共鳴非弾性X線散乱(RIXS)スペクトルをTight-binding模型を用いて詳しく解析し、その入射エネルギー及び偏光依存性の全容を解明した。中間状態に存在する正孔ポテンシャルを遮蔽するためにMn 3d電子による電荷励起が形成され、終状態に残る。基底状態はハートレーフォック近似に基づき、電荷励起に対しては乱雑位相近似(RPA)を用いて電子相関を取り扱った。従来考えられていた4p-3dクーロン相互作用によるorbiton励起によるスペクトルの解釈の誤りを正し、実験結果をよく説明した。この研究成果により、第一原理計算の有力な方法であるGW近似法を用いた計算への道筋がつけられた。, 19019001, kaken

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• 多重極秩序相における共鳴X線散乱の理論研究, Theoretical study on resonant x-ray scattering from the multipolar ordering phase, 長尾 辰哉, NAGAO Tatsuya, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 群馬大学, Gunma University, 2006年, 2007年, 申請時の研究目的は、局在性の強いf電子系の多重極秩序相の共鳴x線散乱の解析に便利な振幅の公式を導き、それを出発点に、以下の4点を遂行することであった。即ち、公式のf電子系への適用、長周期の磁気構造へ公式の拡張、局所的に空間反転性の破れている系での双極子-四極子遷移の解析、共鳴非弾性x線散乱の定式化である。順に成果をまとめる。 1.多極子秩序相の典型例である、八極子秩序を示す5f電子系物質に公式を適用した。f電子を直接観測する電気四極子遷移でスペクトル解析を扱った最初の理論研究である。 2.長周期磁気秩序相の解析用に公式を拡張することに成功し、典型物質(Ho)へ適用してスペクトル解析を行った。双極子遷移にもかかわらず、4次のサテライト・スポットで散乱強度が観測されることを予言した。これは共鳴x線散乱が中性子散乱と違い、高次ランクの強度の検出に優れていることを示唆する重要な知見である。 3.局所的に空間反転が破れている系として、典型物質に対し(マグネタイト)、パリティ奇の遷移に共鳴x線散乱のスペクトルを解析し、実験を包括する結果を得た。 4.局在双極子(スピン)の励起が銅酸化物において共鳴非弾性x線散乱で観測できる可能性を理論的に検証し、2マグノン散乱励起のスペクトルの理論計算に初めて成功し、マグノン間相互作用の重要性を指摘した。 以上、局在電子系における共鳴x線散乱のスペクトル解析の有用性を示す成果が得られた。成果はほぼ実施計画に沿って得られ、1.4.の成果は論文として出版済み。2.3.の成果は投稿論文準備中。また、全ての成果は物理学会または国際シンポジウムで発表済みで好評を得た。, We have derived useful expressions. Of the resonant x-ray scattering (RXS) amplitude on the basis of the localized electron picture. The expressions include precise energy dependence of the spectra since the summation over the intermediate states are carried out without using the so-called fast collision approximation with the assumption that the Hamiltonian describing the intermediate states preserves the rotational invariance. The expressions and their derivatives have proved that the spectral analysis in RXS in the felectron system can lend a powerful support in elucidating the nature of the multipolar ordering phases. We present some examples to show them. First, we have applied to the multipolar ordering phases such as octupolar in Ce_<1-x>La_xB_6 and some other multi-k ordering phases. They reproduced the experimental results well and predicted some intriguing features. Second, the expression has been extended to the case of the long period ordered structure such as the helical and conical magnetic phases exhibited by some heavy rare earth metal. Taking holmium as an example, we have calculated the RXS spectra. The results indicate that the spectral shape can discriminate the different phases in some cases in this system. We also have predicted that the fourth satellite spot is detectable in the electric dipole (E1) transition in the conical phase of Ho. Third, RXS spectrum in the magnetite has been studied at the A site Fe ions, which lack local space inversion symmetry. Then, parity odd process, for instance, E1-quadrupole (E2) process survives when some specific experimental conditions are satisfied. We have calculated both the RXS and absorption spectra, the latter of which show clear evidence of the El-E2 process. Finally, we have investigated two-magnon excitation spectra of resonant inelastic x- ray scattering from La_2CuO_4, which proves that the experimentally observed spectra are indeed due to the two-magnon excitations in cuprates., 18540309, kaken

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• 弾性および非弾性共鳴X線散乱の理論的研究, Theoretical study of elastic and inelastic resonant x-ray scattering, 五十嵐 潤一; 高橋 学; 野村 拓司; 西川 裕規; 長尾 辰哉; 薄田 学, IGARASHI Jun-ichi; TAKAHASHI Mnabu; NOMURA Takuji; NISIKAWA Yunori; NAGAO Tatsuya, 日本学術振興会, Japan Society for the Promotion of Science, 科学研究費助成事業, Grants-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Grant-in-Aid for Scientific Research (C), 茨城大学, Ibaraki University, 2004年, 2006年, 共鳴X線散乱は弾性散乱と非弾性散乱に大別されるが、それぞれのスペクトルを微視的立場から理論的に解析し、その機構の解明を行い、以下の成果を得た。 弾性散乱(RXS) 1.第一原理計算を用いて、Crのスピン密度波(SDW)相における、K吸収端スペクトルを解析し、p-d混成相互作用を通して周りのCr原子の3d状態の軌道分極が4p状態に軌道分極をもたらすという機構を明らかにした。スピン密度波(SDW)状態のCr金属は、電荷密度波(CDW)状態も伴っている。CrのL吸収端を用いたCDW超格子ブラッグ点での共鳴X線散乱実験を提案し、強い散乱強度が現れることを予言した。SDW状態の交換ポテンシャルによって生じる非占有3d状態の変調が原因であると結論された。 2.局在電子描像に基づいて、双極子遷移および四重極遷移によるスペクトルと多重極秩序との関係をあらわす一般式を導いた。また、その応用として、NpO_2およびCe_<1-x>La_xB_6のスペクトルの解析を行い、八重極子秩序とスペクトルの関係を明らかにした。 非弾性散乱(RIXS) 1.Keldyshグリーン関数を用いてRIXSスペクトルの一般的定式化を行い、内殻正孔ポテンシャルによる多重散乱効果の解析を行った。ボルン近似がかなりよい近似であることが示された。また、この定式化を、La_2CuO_4、擬一次元物質であるSrCuO_2,CuGeO_3、反強磁性絶縁体NiOに対して適用した。スペクトルの形状、運動量依存性など、実験をよく再現する結果が得られ、電荷励起とスペクトルの関係を明らかにした。 2.ハイゼンベルグ反強磁性体における2マグノン励起に対応するRIXSスペクトルの定式化を行い、1/S展開(Sはスピンの大きさ)を用いて具体的にスペクトルを求め、光学領域のラマン散乱スペクトルとの違いを明確にした。, We have studied the elastic and inelastic resonant x-ray scattering from the microscopic viewpoint, and have clarified their mechanism. Elastic scattering (RXS) Inelastic scattering (RIXS) 1. We have analyzed the spectra at the superlattice spots of the Cr spin density wave in Cr K edge resonance on the basis of the ab initio band structure calculation. It has been clarified that the intensities arise from the orbital polarization of the 4p bands induced by the orbital polarization of the 3d states at neighboring Cr sites through the p-d hybridization. We have also analysed the spectra at the superlattice spots of Cr charge density wave in Cr L edge resonance. It has been predicted that strong intensities come out from the modulation in 3d states due to the SDW exchange potential. 2. On the basis of the localized electron picture, we have derived general expressions relating the spectra to the multipole ordering for the dipole and quadrupole transitions. These formulas have been applied to analyze the actinide M_<4,5> Edge spectra in NpO_2 and Ce_<1-x>La_xB_6, having clarified the relation of the spectra and the octupole ordering. Inelastic scattering (RIXS) 1. We have obtained a general formula of the inelastic scattering on the basis of the Keldysh Green function formalism. We have examined the validity of the Born approximation by analyzing the multiple scattering by the core-hole potential. We have applied this formula to the RIXS from La_2CuO_4, SrCuO_2, CuGeO_3, NiO. The calculated spectra have reproduced well the spectral shapes as a function of energy loss and their momentum dependence, having clarified the relation of the charge excitation and the spectra. 2. We have formulated the two-magnon spectra in Heisenberg antiferromagnets. Having employed the 1/S-expansion (S is the magnitude of spin), we have analyzed the two-magnon RIXS spectra. This study has clarified the difference from the light scattering., 16540298, kaken

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