水牧 仁一朗（Masaichiro Mizumaki）
プロフィール
分光物性Iグループ・MCDチーム
副主幹研究員
メール： mizumaki＠spring8.or.jp
磁性材料ビームラインであるBL39XUにおいて、ユーザー支援業務を行いながら、X線分光法を用いて強相関電子系化合物の電子構造を明らかにすることで、物性物理学の発展に寄与しています。特に、「価数」をキーワードに新しい電子相を探索し、物性物理学における新奇概念の構築を目指しています。また、その電子相を温度・磁場・圧力などの外場により制御し、新しい機能性材料設計指針の作成にも注力しています。
外部機関所属先
- 東京工業大学応用セラミック研究所 客員教授
- 滋賀県立大学工学研究科 客員講師
キーワード
- 強相関電子系
- 価数ゆらぎ
- 3d遷移金属
- 4f希土類元素
- X線分光
研究成果
研究成果
1.X線吸収分光法(XAS)によるペロブスカイト酸化物BiNiO3の負の熱膨張と価数
ペロブスカイト酸化物BiNiO3は反強磁性絶縁体であり、圧力誘起の金属絶縁体(MI)転移を起こすことが知られている。さらに、BiサイトをLaで0.05%程度希釈すると常圧において400Kで温度誘起のMI転移がおこるとともに、 非常に大きな(-82x10-6/K)負の熱線膨張係数を示すことが分かった。この起源が理解されていなかったが、これがNiイオンからBiイオンへの電荷移動であることを、高温高圧下XAS測定で明らかにした。 図1にNiのK吸収端エネルギーの圧力依存性と電気抵抗の圧力依存性を示す。両圧力依存性は非常によく一致し、Niイオンの価数が圧力により2価から3価に変化していることが分かる。 一方Bi-L3吸収端においてもBiの価数が減少していることが分かった。すなわち、NiイオンからBiイオンへの電荷移動が起きている。 さらにNiO6クラスターモデルにより、クーロン多重項まで考慮した理論XASスペクトルを計算し、実験を再現した(図2)。 また、常圧・高温下のXAS測定でも上記高圧下のMI転移と同じように、NiイオンからBiイオンへの電荷移動によりMI転移と負の熱膨張がおこることを明らかにした。この系の負の熱膨張は、電子が元素間で移動することによる新しい機構によるものであると理解された。(文献番号8)
2.磁場に鈍感な重い電子系SmOs4Sb12の価数変化
希土類充填スクッテルダイト化合物RT4X12(R=希土類イオン、T=遷移金属イオン、X=プニクトゲン)は、強相関電子系に特徴的な興味深い物性を発現する。 特にSmOs4Sb12はSm-4f電子が重い電子的振舞を示し、その電子質量が磁場に鈍感であり、その起源は磁気的なものではない。 この起源を知るために、Smイオンの平均価数を精密に測定し、その温度変化を調べた。 Sm-L3吸収端にてXASスペクトルを測定し、平均価数を決定した。図3に平均価数の温度変化を示す。 室温で混合原子価(=2.83)であり、TA=150K付近から徐々に価数が下がりはじめ、TB=25Kで一定(=2.76)となる。 TBはこの系の近藤温度TKに対応している。このことから、価数自由度が重い電子的な振舞の起源の一つとして考えられる。 本研究に於いて、価数自由度が磁場に鈍感な重い電子質量の一因となり得ることを示した。(文献番号10)
主な論文
1. Electronic structure of BaFeO3 studied by X-ray spectroscopyM. Mizumaki, H. Fujii, K. Yoshii, N. Hayashi, T. Saito, Y. Shimakawa and M. Takano
Physica Status Solidi (c) 12 (2015) 818-821.
2. CaCu3Fe2Re2O12 ― a half-metallic A-and-B-site-ordered quadruple-perovskite oxide with large magnetization and a high transition temperature
W.-T. Chen, M. Mizumaki, H. Seki, M. Senn, T. Saito, J. P. Attfield, and Y. Shimakawa
Nature Comm. 5 (2014) 3909/1-7
3. Multiple magnetic interactions in A-site ordered perovskites
Y. Shimakawa and M. Mizumaki
J. Phys.: Condens. Matter 26 (2014) 473203
4. Oxygen hole state in A-site ordered perovskite ACu3Ru4O12 (A = Na, Ca, and La) probed by resonant x-ray emission spectroscopy
M. Mizumaki, T. Mizokawa, A. Agui, S. Tanaka, H. Takatsu, S. Yonezawa, and Y. Maeno
J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2013) 024709.
5. Magnetocaloric effect of field-induced ferromagnetic perovskite BaFeO3
M. Mizumaki, K. Yoshii, N. Hayashi, T. Saito, Y. Shimakawa, and M. Takano
J. Appl. Phys. 114 (2013) 073901.
6. Direct observation of the Ferrimagnetic Coupling of A-site Cu and B-site Fe spins in charge disproportionated CaCu3Fe4O12
M. Mizumaki, Wei-tin Chen, T. Saito, I. Yamada, J. Paul Attfield, and Y. Shimakawa
Phys. Rev. B 84 (2011) 094418.
7. Rare Earth Dependent Einstein Temperatures in Filled Skutterudite Compounds REFe4P12 (RE = La, Ce, Pr, Nd, and Sm)
M. Mizumaki, S. Tsutsui, H. Tanida, T. Uruga, D. Kikuchi, H. Sugawara, and H. Sato.
J. Phys. Soc. Jpn. 80 (2011) 074603.
8. Direct Observation of the Pressure-Induced Charge Redistribution in BiNiO3 by x-ray Absorption Spectroscopy
M. Mizumaki, N. Ishimatsu, N. Kawamura, M. Azuma, Y. Shimakawa, M. Takano, and T. Uozumi
Phys. Rev. B 80 (2009) 233104.
9. Orbital Hybridization and Magnetic Coupling of the A-site Cu Spins in CaCu3B(B=Ti, Ge, and Sn)4O12 Perovskites
M. Mizumaki, T. Saito, H. Shiraki, and Y. Shimakawa
Inorganic Chemistry 48 (2009) 3499-3501.
10.The Mixed Valence States in the Unconventional Heavy Fermion Compounds in SmOs4Sb12
M. Mizumaki, S. Tsutsui, H. Tanida, T. Uruga, D. Kikuchi, H. Sugawara, and H. Sato.
J. Phys. Soc. Jpn., 76 (2007) 053706.
口頭発表・招待講演
1. 平成26年度物性研究所短期研究会 (2014)「スクッテルダイト化合物及び関連物質を舞台とした強相関電子系物理の新展開」
「磁場に鈍感な重い電子系化合物SmOs4Sb12 ～Sm-4f電子の特異な基底状態～」
2. 日本物理学会・秋季大会(2013)・領域8シンポジウム
「負熱膨張の新展開-相変態に伴う巨大応答と新物質−」
「負の熱膨張を示す遷移金属酸化物の電子状態−X線分光から−」
3. 第250回応用セラミックス研究所講演会
応セラ研所長賞記念講演会・新任客員教員講演会 (2013)
「X線分光で観たペロブスカイト酸化物」
4. EPENET 2013
「X-ray spectroscopic studies ~valence & magnetic coupling for ordered perovskites～」
5. KEK筑波大等連携支援事業「磁気異方性と放射光実験」(2013)
「3d遷移金属酸化物の軌道磁気モーメント
〜XMCDは異方性プローブとなりえるか〜」
6. SPring-8講習会(2012)
「産業利用に役立つXAFSによる先端材料の局所状態解析2012」
「籠状物質充填スクッテルダイトのゲストイオンの格子振動」
7. 第59回マテリアルズテーラリング研究会 (2011)
「放射光利用による新規材料開発」
8. PF研究会（2011）「軟X線分光・散乱測定を用いた物性研究の現状と展望」
「Aサイト秩序型ペロブスカイトの軟X線分光」
9. 日本物理学会・第65回年次大会(2010)・領域5シンポジウム
「総括と今後の展望：XMCDの理解と磁気プローブとしての応用」
10.日本物理学会・秋季大会(2009)・領域8シンポジウム
「X線分光でみたAサイト規則化ペロブスカイト酸化物の電子構造」