<講義ノート>共鳴X線散乱を用いた構造物性研究(第62回物性若手夏の学校 集中ゼミ)

Abstract

物性研究の対象である物質は、原子により構成されている。また元素は、ご存知のように高々100を超える程しか存在しないが、我々の身の回りには無限と言って良いほど数多くの物質が存在する。従って、これらの物質の性質(物性)の違いは、どんな元素がどのように配列しているのかで決まっていると言える。つまり元素の並びである構造を知ることが、物性を理解する上での基本的な情報である。このような構造を調べることから物性の起源を探る研究のことを「構造物性研究」と言う。強相関電子系では、電子間の強い相互作用の結果として、電子の持つ自由度である電荷・軌道・スピンの状態が多様な振舞いを示すことで、多彩な電子相が出現する。さらに、これらの電子相はエネルギー的に競合しており、様々な外場(磁場・圧力・電場・光…)に対して敏感で、巨大な物性応答を示し、盛んに研究が行われている。このように強相関電子系では、単に元素の並びを調べるだけでなく、その電荷・軌道・スピンという電子状態を解明することが、物性を理解する上で、極めて重要な研究となっている。一般に、回折・散乱実験を行うことで、構造を決定することができるが、電子状態の微妙な変化を捉えることは難しい。ここで紹介する「共鳴X線散乱」は、原子の吸収端を利用することで、電荷・軌道・スピンといった電子状態を敏感に捉える手法であり、強相関電子系の物性発現の鍵となる電子状態を解明する研究が行われている。本稿では、共鳴X線散乱の簡単な原理、利用研究例を紹介する。