URu₂Si₂ は体心正方晶 ThCr₂Si₂ 型(空間群 No.139, I4/mmm)の結晶構造をとり、 T_o = 17.5 Kにおいて「隠れた秩序(Hidden Order)」と呼ばれる、秩序変数・秩序波数が共に未解明の相転移を示す重い電子系化合物です[1]。また、本系はさらにT_c = 1.4 Kで異方的超伝導転移を示すことも知られています。隠れた秩序において、零磁場μSRや²⁹Si-NMR実験では T_o以下で顕著な内部磁場が観測されないことから、内場が零か、もしくはあっても極微少であることがわかっています[2]。そのため、これまで数多くの隠れた秩序変数の候補が提案されていますが、その中の有力な候補として非磁性の電気多極子が挙げられます[3]。
一方、URu₂Si₂ の隠れた秩序相内(T ~ 1.5 K）でc軸に磁場を印加した場合、35 Tから3段のメタ磁性転移が起こり、c軸磁化率が増大することがこれまでにわかっています[4]。本研究ではドレスデン強磁場センターにあるパルスマグネットを用いて最大磁場68.7 Tのパルス磁場下で超音波測定を行い、強磁場下における弾性応答の観点からURu₂Si₂ の低温電子状態を調べました。一般に、5f 電子状態を局在的に扱う場合、弾性応答は局在5f電子が持つ電気四極子の応答として理解できます。一方、5f 電子を遍歴的に扱う場合、弾性応答は電子格子相互作用を通じてバンドの状態を反映します。このように超音波によって試料中に誘起される歪み場は磁場と直交するため、磁場中での超音波測定は上記の電子状態を分光学的に調べる上で強力な実験手法と言えます。
T = 1.5 Kにおいてc軸方向にパルス磁場をかけて弾性定数(C₁₁−C₁₂)/2を測定した結果、メタ磁性転移近傍で(C₁₁−C₁₂)/2は階段状の異常を示しつつ、50 Tまで約0. 7 %増大しました。その変化量は零磁場下の温度変化において120 K付近から最低温度までに生じる緩やかな弾性定数の減少（ソフト化）の大きさとほぼ一致するように見えます。一方、c軸磁化率も (C₁₁−C₁₂)/2と良く似た磁場・温度依存性を示すことから、それらの起源が共通の根を持っている可能性が示唆されます。c軸磁化率と(C₁₁−C₁₂)/2の温度依存性において低温で共通して生じる減少傾向は、5f電子の混成効果と結晶場効果の複合によって説明できると考えられますが、遍歴性と局在性の二重性を持つ5f電子系を記述するための基本描像が未だ定まっていないため、その判別は難しいところです。いずれにせよ、 (C₁₁−C₁₂)/2モードは対称性を低下させる斜方晶歪み(Γ₃: 基底関数x²−y²)に対応することから、URu₂Si₂ではΓ₃対称性の格子不安定性を伴う電子状態が低温で形成されており、c軸磁場で生じるメタ磁性転移によって隠れた秩序が壊れるのと同時にその電子状態から、比較的「軽い」電子状態で尚かつ格子不安定性が抑制された状態に回復していることが、本研究結果より推測されます。

[1] T. T. M. Palstra et al., Phys. Rev. Lett. 55, 2727 (1985); M. B. Maple et al., Phys. Rev. Lett. 56, 185 (1986); W. Schlabitz et al., Z. Phys. B 62, 171 (1986).
[2] S. Takagi et al., J. Phys. Soc. Jpn. 76, 033708 (2007).
[3] H. Kusunose et al., J. Phys. Soc. Jpn. 80, 084702 (2011).
[4] M. Jaime et al., Phys. Rev. Lett. 89, 287201 (2002).

本研究についてより詳しい内容は下記の論文をご覧下さい。
T. Yanagisawa et al., J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2013) 013601.

(also available on cond-mat/1211.7185)

We have performed precise dc magnetization measurements for a single crystal of UBe₁₃ down to 0.14 K, up to 80 kOe. We observed a magnetic anomaly in the superconducting (SC) mixed state at a field, named H_Mag^* (∼26  kOe, at 0.14 K), implying that UBe₁₃ has a magnetically unusual SC state. We expect that the origin of the H_Mag^* anomaly would be (1) unusual SC diamagnetic response, or (2) a peculiarity of the normal-state magnetization due to vortices in the SC mixed state.
For more information please see our paper: Y. Shimizu et al., Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 217001.
本研究の背景について日本語による解説記事があります。強相関電子磁性１研究室の研究トピックス「重い電子系超伝導体UBe₁₃の超伝導混合状態における磁気特性 」 をご覧下さい。

新学術領域研究「重い電子の形成と秩序化」のニュースレターに最近の研究内容の解説文が掲載されました。PDFでご覧いただけます。（柳澤の記事はpp.25より）

新学術領域研究「重い電子の形成と秩序化」のニュースレターに最近の研究内容の解説文が掲載されました。PDFでご覧にいただけます。（柳澤の記事はpp.12より）