擬一次元有機導体(TMTSF)2PF6における スピン密度波転移の磁場依存性と小周期振動

　擬一次元有機導体(TMTSF)2X(X=PF6,AsF6)は常圧ではおよそ12Kで不整合スピ ン密度波(SDW)相に転移するが圧力を加えることによりSDW相は抑制され超伝導 相が安定化する[1]。SDW転移は擬一次元的フェルミ面のネスティングの度合いに より決まり、二次元性が強いとSDW転移は強く抑制される。フェルミ面のネステ ィングが完全な場合には磁場をかけてもSDW転移温度(TSDW)は変化しないが、ネ スティングが不完全な状態に磁場をかけると電子の運動は一次元的になりSDW転 移の抑制は弱くなると考えられている。二次元性が強くSDW転移が抑制されてい る場合、不完全なネスティングによりSDWギャップの上下で波打っているエネル ギーバンド構造の磁場による軌道の量子化に伴うエネルギー利得によりTSDWが上 昇することが定性的に説明される。このとき平均場理論の範囲内で弱磁場における TSDWの増加の割合は磁場の2乗に比例し、その比例係数はTSDWが低いほどつまり はimperfect nesting energyが大きいほど大きくなる。実際、TMTSF塩のSDW 相においてc*軸方向に磁場を加えることでTSDWが上昇することが知られている。 [2,3] 

　1.SDW転移温度の磁場依存性 　

　擬一次元有機導体(TMTSF)2PF6は常圧下，ゼロ磁場では12K付近でSDW転移 を起こすが、圧力を加えると系の二次元性が増すためフェルミ面のネスティングが 不完全になりSDW転移温度TSDWが低下する。図1は(TMTSF)2PF6で0.85GPaの 圧力下における抵抗の温度依存性である。0.85GPaの圧力をかけることにより系の 二次元性が大きくなってTSDWが常圧の場合に比べて半分以下に低下している。c* 軸方向に磁場を加えると、ゼロ磁場では4.6Ｋだった転移温度が24Tでは8.6Kま で上昇している。これらの振舞いは圧力により増加したフェルミ面の不完全なネス ティングにより抑制されたSDW状態が、磁場により系の一次元性が増すことによ りフェルミ面のネスティングが完全な場合のSDW転移温度TSDW0に向けて回復す るとして定性的に説明される。磁場を考慮した平均場理論[4,5,6]によるとTSDWの 磁場依存性は低磁場領域では磁場の二乗に比例し、高磁場領域ではTSDW0に向けて 飽和することが期待される。図2は磁場を横軸にとって、測定結果から求めたTSDWをプロットしたものである。実線は低磁場における磁場の二乗の依存性を考慮した フィッティング曲線であり、破線は平均場理論を考慮したフィッティング曲線であ る。平均場理論の予想どおり弱磁場ではTSDWの増加の割合は磁場のニ乗に比例し、 高磁場ではTSDWの増加は飽和傾向を示し平均場理論の枠組み[5,6]で説明すること ができる。平均場理論のフィッティングによりTSDW0は14.5K、フェルミ速度vF は約8.6×104m/sであると見積もることができる。以前、急冷状態の(TMTSF)2ClO4 における同様の実験より急冷状態の(TMTSF)2ClO4ではTSDW0は13.5K、フェルミ 速度vFは約7.8×104m/sであると報告した[10]。急冷状態の(TMTSF)2ClO4と 0.85GPaの(TMTSF)2PF6でTSDW0やフェルミ速度がほぼ同じ値を持つことから、 両者はSDW転移に関してはほぼ同じ状態であること示している。 
図1
図1		 図2
図2

 　2.小周期振動 　

擬一次元有機導体(TMTSF)2Xは金属相では一対の擬一次元的フェルミ面を持つが SDW相ではこのフェルミ面はネスティングを起こして消滅しフェルミ準位には状態 密度を持たないと考えられている。しかしながら、高磁場においてシュビニコフ‐ ド・ハース効果と似ている小周期振動と呼ばれる磁場の逆数に比例する振動を起こ すことが知られている。図3は0.85GPaの圧力下における(TMTSF)2PF6の抵 抗の磁場依存性である。磁気抵抗は非常に大きく20Tの磁場で抵抗はゼロ磁場の 100倍に増大している。およそ15T以上で小周期振動が観測され、20T以上の磁場 ではその振幅が抵抗の平均値の約20%に達している。磁気抵抗の増大の割合や小周 期振動の振幅はこれまで報告されている値より一桁大きく本試料が高品質であるこ とを反映していると思われる。小周期振動は磁場の逆数に対して周期的に振動して おり、その振動数の圧力依存性を図4プロットした。図に示されたように常圧では 220-240T[7,8]の周期を持つ小周期振動は圧力が増大するにつれて増加し、0.85GPa では320Tまで増大した。周期の増分はほぼ圧力に比例しており、比例係数は dF/dP=68T/GPaとなった。

図3
図3		 図4
図4

本研究における高磁場での測定は東北大金研の強磁場施設を利用し、金研の佐々木孝彦氏との共同利用により進めています。

詳細は下記の論文を参照してください。

Spin-Density-Wave Transition of (TMTSF)2PF6 at High Magnetic Fields
N. Matsunaga, K. Yamashita, H. Kotani, K. Nomura, T. Sasaki, T. Hanajiri, J. Yamada, S. Nakatsuji and H. Anzai
Physical Review B, 64, 052405 (2001).

　

参考文献 

[1] For review, T. Ishiguro and K. Yamaji, Organic Superconductors, Springer 88, (1989). 

[2] G. M. Danner, P. M. Chaikin and S. T. Hannahs, Phys. Rev. B 53, 2727 (1996). 

[3] N. Matsunaga et al., Synth. Met.103, 2133 (1999). 

[4] G. Montambaux, Phys. Rev. B 38, 4788 (1988). 

[5] K. Maki, Phys. Rev. B 47, 11506 (1993). 

[6] X. Huang and K. Maki, Phys. Rev. B 46 162 (1992). 

[7] J. P. Ulmet, L. Bachere and S. Askenazy, Solid State Commun. 58 753 (1986) 

[8] S. Uji et al., Phys. Rev. B 55 12446 (1997).

[9] D. Vignolles et al., Phys. Rev. B 58, 14476 (1999). 

[10] N. Matsunaga, et al., Phys. Rev. B, 62, 8611 (2000)