研究紹介- 石原 純夫 -


強相関電子系におけるX線、光物性

近年我が国のSPring-8を始めとする第3世代放射光施設の建設に伴い、放射光X線を利用した強相関電子系の物性研究が急速に発展した。その一例が共鳴X線散乱であり、弾性散乱では電荷や軌道の長距離秩序を、非弾性散乱では種々の電子励起の観測が可能となり、大きな成果を挙げている。 波数依存性や偏光依存性の観測が可能であること、特定の元素を選択できることなどの多くの特徴を持っている一方で、その散乱過程は複雑で、実験データから有意な物理量を引き出すには理論計算との比較が不可欠である。本研究テーマでは、放射光を用いた種々の実験手段を理論的に取り扱い、これらを強相関電子系における新しい実験プローブとして確立させることを目的とする。実験グループとの密接な共同研究を行うと同時に、上記2つの研究テーマとも互いにフィードバックが行われる。X線領域と同時に強相関電子系における光応答を研究対象とし、誘電体、磁性体における2次、3次の非線形光学応答、円、線二色性の発現機構の解明やより巨大応答の予測を行う。



電子ー格子相互作用と電子相関

銅酸化物高温超伝導体を例に挙げると、その強い電子相関に興味が持たれ、これまで様々な磁気的相互作用に基づく超伝導発現機構が提唱されてきた。一方で多くの誘電異常や格子異常が観測されているにもかかわらず、この物質における強い電子間相互作用と電子-格子相互作用を同時に適切に取り扱った理論研究は多くない。本研究テーマでは電子相関と電子ー格子相互作用の相乗効果によって出現する新奇な物性を探る。より具体的には[1]銅酸化物超伝導体当の新奇な超伝導における電子-格子(フォノン)の役割の解明、[2]強相関電子系における電子強誘電(反強誘電)性の可能性や磁性誘電体における新奇な物性の探索。2種類の異なる多体効果を同時に取り扱うことで、単独では予期されない新しい量子現象の出現が期待される。


電荷ースピンー軌道結合系の物理

電子間相互作用の強い多体電子系では、一電子描像に基づく単純なバンド理論で説明される物質では見られ無い、多種多様かつ新奇な量子現象が出現する。遷移金属酸化物はその格好の舞台であり、層状銅酸化物における高温超伝導やペロフスカイト型マンガン酸化物における巨大磁気抵抗効果はその代表的な現象である。これらの電子物性を担うのは遷移金属イオンにおけるd電子であるが、結晶内では電子が本来有する電荷とスピンの自由度に加えて、第3の自由度である軌道の自由度を有する。これらは強い電子相関の基で結合と分離を行い、多様な相(真空)とそれに付随した励起(粒子)が出現する。またそれらの境界(多相臨界)領域では外場に対する巨大応答が期待される。本研究テーマでは、場の理論的手法と数値計算手法を併合してこれらの起源を解明し、更には新しい現象を理論的に予測する。 理論結果は次世代の多機能材料-強相関デバイス-の設計において応用されることが期待される。
   
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