擬一次元有機導体(TMTTF)2Brにおけるスピン密度波転移

図1	図2

　 　擬一次元有機導体(TMTTF)₂Brは0.5GPaの圧力下 では19.5K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T_SDWが低下する。図1は (TMTTF)₂Brで2.1GPaの圧力下における抵抗と微分抵抗の温度依存性である。2.1GPaの圧力をかけることに よりT_SDWが0.5GPaの場合に比べて半分程度に低下し ている。c*軸方向に磁場を加えると、ゼロ磁場では12.5 Ｋだった転移温度が16Tでは12.9K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[2,3,4]によるとT_SDW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T_SDW0 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、様々な圧力における T_SDWをプロットしたものである。図2における実線はそ れぞれの実験結果について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る。24Tまでの磁場では磁 場の二乗に比例して増加しており、飽和へ向かう傾向 はみられなかった。これらの振舞いは低圧における (TMTSF)₂PF₆と同じ[5]であり、(TMTTF)₂Br のSDW転移もフェルミ面のネスティングによるSDW転 移であることを示している。 

図３は(TMTTF)₂Brの二次の係数Ｃとゼロ磁場にお けるSDW転移温度の関係を示したものである。係数C は平均場理論では電子バンドの二次元性により決まる が、フェルミ速度などにも依存する。図には (TMTSF)₂PF₆の結果[5]も比較のために載せ た。高圧における(TMTTF)₂Brの結果は滑らかに (TMTSF)₂PF₆の結果に繋がっている様に見える。このこ とから、2.1GPa における(TMTTF)₂Brのパラメータは常圧の(TMTSF)₂PF₆に近いと考えられる。以前、 (TMTSF)₂PF₆の結果よりT_SDW0が圧力に依存しない と仮定して(TMTSF)₂PF₆のパラメータを決定した。図３ の破線はその場合のフィッティング曲線であり、 (TMTSF)₂PF₆の結果とよく一致している。平均場理論のフィッティングによりT_SDW0は16K、フェルミ速度vFは約 1.03×10^５m/sであると見積もられた。しかしながら、低圧 側の(TMTTF)₂Brのデータは破線より上方にずれてい る。このことはT_SDW0が圧力に依存しないことを仮定する と(TMTTF)₂Brと(TMTSF)₂PF₆を統一的に説明できな いことを意味にしている。(TMTTF)₂Brのみのデータで すらTSDW0が圧力に依存しないことを仮定すると平均場 理論でフィッティングできない。結局、実験結果は圧力 に対してTSDW0が変化することを示唆している。 平均場理論におけるBCSの関係よりT_SDW0は 

　　　　　　（1）

 で与えられる。ここでDはバンド幅、N(0)はフェルミレベ ルにおける状態密度、Iはon-siteクーロンエネルギーで ある。圧力が増えるにつれて（a）on-siteクーロンエネル ギーの減少（b）状態密度の減少（c）バンド幅の増大が 期待される。（1）式よりN(0)Iは指数関数的にT_SDW0に 寄与しているので、Dの変化より結合係数N(0)Iの変化 のほうが支配的であると考えられる。結果として、圧力 増大によるT_SDW0の減少は結合係数N(0)Iの減少による ものであると考えられる。実際、結合係数N(0)Iの減少 は圧力下の(TMTCF)₂Xの金属相における　NMRの実 験[6]より示唆されている。このような圧力増大による T_SDW0の減少を考慮すると図３における破線と (TMTTF)₂Brの結果との食い違いを説明できる可能性 がある。 フェルミ速度v_Fは圧力に依存しないと仮定して、各圧力におけるT_SDW0を見積もることができる。その結果 をT_SDWと共に図４に示した。T_SDW0は圧力が増大するに つれて0.75GPaの20Kから2.1GPaの16.8Kまで図４の実線で示したようにほぼ線形的に減少した。図４に示 したT_SDW0の線形の圧力依存性を使って、図３の実線 の様に(TMTTF)₂Brの磁場に対する二次の係数Ｃとゼ ロ磁場におけるSDW転移温度の関係がよく説明できる。 ここでの解析ではフェルミ速度v_Fが圧力に依存しないと 仮定した。通常、この実験の範囲内ではフェルミ速度は あまり圧力依存性は示さないと考えられ、また多少フェ ルミ速度が圧力依存したとしてもここでの結論は変わら ない。結論として、(TMTTF)₂BrのT_SDWの磁場依存性 は圧力よる二次元性の増大と結合定数の減少を考慮し た平均場理論によってよく説明される。又、 (TMTTF)₂Brと(TMTSF)₂PF₆のSDW相は常圧における 原点の異なった共通の圧力軸をもつ擬一次元導体とし て系統的に理解できることがわかった。 

図3	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。

Electron correlation and two-dimensionality in the spin-density-wave phase of (TMTTF)₂Br under pressure
A. Ishikawa, N. Matsunaga, K. Nomura, T. Sasaki, T. Nakamura, T. Takahashi, G. Saito
Physical Review B Vol.67, 212404 (2003)

参考文献 

[1] T. Ishiguro, K. Yamaji, and G. Saito, Organic Superconductors II　 (Springer- Verlag, Berlin, 1998). 

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

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

[4] A. Bjelis and K. Maki, Phys. Rev. B 45, 12887 (1992).  

[5]N. Matsunaga, K. Yamashita, H. Kotani, K. Nomura, T. Sasaki, T. Hanajiri, J. Yamada, S. Nakatsuji, H. Anzai, Physical Review B Vol.64, 052405 (2001)

[6] P. Wzietek, F. Creuzet, C. Bourbonnais, D. Jerome, K. Bechgaard, and P. Batail, J. Phys. I France 3, 171 (1993).