JiseiPoster 2013 s - Hiroshima...
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量子物質科学専攻 磁性物理学研究室 教授 ： 高畠 敏郎 准教授 ： 鬼丸 孝博 （自然科学研究支援開発センター） 准教授 ： 梅尾 和則 カゴ状化合物をベースとした熱電変換物質の創製 熱電変換機能を実現させる物理的要因の解明 １．目的 クラスレートBa 8 Ga 16 Sn 30 ３．熱電性能 Ba Ga,Sn 近藤半導体の熱電能 近藤半導体の性能指数 -150 -100 -50 0 50 100 150 S ( μV / K ) 1 10 100 T ( K ) CeRhSb CeRhAs CeNiSn YbB 12 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Z ( 10 -3 K -1 ) 1 10 100 T ( K ) CeRhSb CeNiSn CeRhAs YbB 12 CeRhSn Bi-Te -200 -100 0 100 200 S ( μ V / K ) 400 300 200 100 0 T ( K ) Ba 8 Ga 16 Sn 30 Ga#3 Ga#2 Sn#2 Sn#1 Ga#1 従来の熱電冷却材料のBi ２ Te ３ よりも100Ｋ 以下で性能指が大きいので、液体窒素温 度領域での熱電冷却材料として有望 クラスレートBa 8 Ga 16 Sn 30 の熱電能 フラックスの選択により室温での熱電能 が±200μV/Kまで変化 n型とp型を同じ化合物で作り分けること に成功接合素子に有利 Ba 8 Ga 16 Sn 30 のガラス並みに小さな 熱伝導率 カゴ状化合物の熱電物性 Rh ２．カゴ状化合物の結晶構造 近藤半導体CeRhAs Ce As 性能指数 Z＝S ２ /(ρκ） ρ: 電気抵抗率 (電流の流れにくさ ) κ: 熱伝導度（熱の流れやすさ ） Ｓ: 熱電能（温度差による起電力 ） 従来材料 Bi 2 Te 3 Z=１×10-3 １/Ｋ (T=100K)
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量子物質科学専攻 磁性物理学研究室
教授 ： 高畠 敏郎 准教授 ： 鬼丸 孝博 （自然科学研究支援開発センター） 准教授 ： 梅尾 和則
カゴ状化合物をベースとした熱電変換物質の創製
熱電変換機能を実現させる物理的要因の解明
１．目的
クラスレートBa8Ga16Sn30
３．熱電性能
Ba Ga,Sn
近藤半導体の熱電能
近藤半導体の性能指数
-150
-100
-50
0
50
100
150
S (
µV
/ K
)
1 10 100T ( K )
CeRhSbCeRhAs
CeNiSn
YbB12
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Z (
10-3
K-1
)
1 10 100T ( K )
CeRhSbCeNiSn
CeRhAsYbB12
CeRhSn
Bi-Te
-200
-100
0
100
200
S (
µ V
/ K )
4003002001000T ( K )
Ba8Ga16Sn30 Ga#3
Ga#2
Sn#2
Sn#1
Ga#1
従来の熱電冷却材料のBi２Te３よりも100Ｋ以下で性能指が大きいので、液体窒素温度領域での熱電冷却材料として有望
クラスレートBa8Ga16Sn30の熱電能
フラックスの選択により室温での熱電能が±200μV/Kまで変化 n型とp型を同じ化合物で作り分けることに成功接合素子に有利
Ba8Ga16Sn30のガラス並みに小さな熱伝導率
カゴ状化合物の熱電物性
Rh
２．カゴ状化合物の結晶構造
近藤半導体CeRhAs
Ce As
性能指数 Z＝S２/(ρκ） ρ: 電気抵抗率 (電流の流れにくさ) κ: 熱伝導度（熱の流れやすさ） Ｓ: 熱電能（温度差による起電力）
従来材料 Bi2Te3
Z=１×10-3 １/Ｋ (T=100K)
磁性・非磁性転移
○Ce, Yb化合物の基底状態
・近藤効果非磁性1重項状態を形成
・RKKY相互作用伝導電子を媒介として磁気秩序を形成。
競合
近藤効果とRKKY相互作用との競合で決まる。
伝導電子と4f電子の混成の強さ
温度 T
近藤効果のエネルギー
RKKY相互作用のエネルギー
磁気転移温度
磁気秩序状態非磁性状態
（フェルミ液体）電気抵抗∝T2
電気抵抗∝Tｎ (1<n<2)
帯磁率∝-Tｎ比熱∝-TlnT
比熱∝T帯磁率＝一定値
量子相転移点
・非フェルミ液体的挙動
・圧力誘起超伝導
0
ｾﾘｳﾑ,ｲｯﾃﾙﾋﾞｳﾑｲｵﾝの電子配置
Ce3+:(Xe)4f1
Yb3+:(Xe)4f13 磁気モーメントをもつ 伝導電子と容易に混成
重い電子状態や 特異な磁性の出現
ｾﾘｳﾑ,ｲｯﾃﾙﾋﾞｳﾑ化合物の基底状態
加圧すると… Ce化合物
Yb化合物
磁気転移温度の圧力変化
1 100.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0C
m/T
(J/
K2m
olC
e)
Ce7Ni30 GPa
TN1
0.17
0.33
0.38
0.54
0.62
0.75
T (K)0.2
0 1 2
150
200
250
300
T(K)
YbAgGea-axis
TM2
TM1TM3
0GPa0.110.200.45
1.33
2.30
2.54
120
ρ
µΩ
(
cm
)
Ce7Ni3 YbAgGe
量子相転移点
0 1 2 30.5
1.0
1.5
P (GPa)
T (
K)
YbAgGe
TM1
TM2
TM3
磁気秩序の変化？
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
1
2
3Ce7Ni3
P (GPa)
T (
K)
C
フェルミ液体
dcχ
χ ac
非フェルミ液体的挙動
比熱/温度の温度変化 電気抵抗の温度変化
多彩な強相関現象を示す新規カゴ状物質
立方晶CeCr2Al20型構造
R
T
Zn 14.3 Å
Pr3+T2Zn20 (T: 遷移金属)
4f 2 配位のPr3+イオンはZnの 高対称なカゴに内包される.
電気抵抗率
断熱消磁冷凍機を用いて 0.1 K以下まで測定 （広島大学自然科学 研究支援開発センター）
PrRu2Zn20:TS=138 Kで構造相転移 ⇒ Znの低エネルギー振動が原因か？ PrIr2Zn20: TC=0.05 K以下で超伝導！ ⇒ Prを含む金属間化合物としては２例目
Γ3
Γ4
3２ K
T. Onimaru et al., Phys. Rev. Lett., 106 (2011) 177001-1-4. T. Onimaru et al., J. Phys.: Condens. Matter 24 (2012) 294207.
T. Onimaru et al, J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 033704-1-4. （JPSJ Editor‘s Choice）
比熱
Prサイトの点群 立方晶 Td
非磁性の基底二重項
Pr3+のエネルギー準位
ショットキー異常 ⇒ 電気四極子を持っている
電気四極子 (4f 電子の電荷分布）
交流磁化
反強四極子秩序：四極子の空間整列 PrIr2Zn20: TQ=0.11 K PrRh2Zn20: TQ=0.06 K
反強四極子秩序
T. Onimaru et al, Phys. Rev. B 86 (2012) 184426.
PrIr2Zn20
温度・磁場相図
TC=0.05 K以下でマイスナー反磁性 ⇒ バルクの超伝導
TQ: 反強四極子(AFQ)秩序 TC: 超伝導(SC)転移
反強四極子秩序と超伝導が共存している
4f 電子の電気四極子のゆらぎが，4f 電子と伝導電子の混成を通して 超伝導クーパー対を形成する，新しいタイプの超伝導機構の可能性
