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磁気じき構造こうぞう

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア（Wikipedia）』
単純たんじゅんな強つよ磁性じせい構造こうぞう
単純たんじゅんな反はん強きょう磁性じせい構造こうぞう
2次元じげんにおける別べつの単純たんじゅんな反はん強きょう磁性じせい構造こうぞう

磁気じき構造こうぞう（じきこうぞう、英えい: Magnetic structure）という用語ようごは、ある物質ぶっしつの、典型てんけい的てきには秩序ちつじょをもった結晶けっしょう格子こうし上うえで、磁気じきスピンが秩序ちつじょをもって配列はいれつする構造こうぞうを指さす。固体こたい物理ぶつり学がくの一いち分野ぶんやとして研究けんきゅうされている。

さまざまな磁気じき構造こうぞう

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ほとんどの固体こたいは非ひ磁性じせいであり、すなわち磁気じき構造こうぞうを持もたない。各かく状態じょうたいはパウリの排他はいた原理げんりにしたがい、互たがいに反はん平行へいこうのスピンをもつ電子でんし対たいによって占しめられ、スピン密度みつどはいたるところで拮抗きっこうし、スピン自由じゆう度どはトリビアルなものになる。このような物質ぶっしつでも通常つうじょうは、パウリ常つね磁性じせいやラーモア反はん磁性じせい、ランダウ反はん磁性じせいのため弱よわい磁気じき的てき挙動きょどうを示しめす。

より興味深きょうみぶかいケースとして、物質ぶっしつ中ちゅうの電子でんしが上記じょうきの対称たいしょう性せいを自発じはつ的てきに破やぶる場合ばあいが存在そんざいする。基底きてい状態じょうたいにある強つよ磁性じせい体からだ中ちゅうでは、ある大域たいいき的てきに共通きょうつうの単一たんいつスピン量子りょうし化か軸じくについて特定とくていのスピン量子りょうし数すうの電子でんしが過多かたとなり、物質ぶっしつは巨視的きょしてきな磁化じかを示しめす（通常つうじょう、多数たすう派はの電子でんしスピンの向むきを上向うわむきとする）。反はん強つよし磁性じせい体からだでは、最もっとも単純たんじゅんな共とも線せん的てき反はん磁性じせい体たいの場合ばあい、電子でんしスピンは交互こうごに上下じょうげを向むいており、互たがいに打うち消けしあって巨視的きょしてきな磁化じかは生しょうじない。しかし、特とくに磁気じきフラストレーションのある反はん磁性じせい体たいの場合ばあい、はるかに複雑ふくざつな磁気じき構造こうぞうが生しょうじ、局所きょくしょ的てきスピンの配向はいこうは本質ほんしつ的てきに3次元じげんの自由じゆう度どをとる。磁鉄鉱じてっこうを始はじめとするフェリ磁性じせい体からだは、ある意味いみで強つよ磁性じせい体たいと反はん強きょう磁性じせい体たいの中なか間あいだ的てきなふるまいを示しめす。フェリ磁性じせい体たいは強つよ磁性じせい体たいと同おなじく巨視的きょしてきな磁化じかを示しめすが、局所きょくしょ的てきには異ことなる方向ほうこうを向むいた磁化じかを持もつ。

上記じょうきの議論ぎろんは基底きてい状態じょうたいの磁気じき構造こうぞうに関かんするもので、有限ゆうげん温度おんど下したでは磁気じき構造こうぞうは励起れいきを受うける。これを記述きじゅつするための、両極端りょうきょくたんのモデルが知しられている。ストナー模型もけい（遍歴へんれき電子でんし磁性じせい体からだとも）では、電子でんし状態じょうたいは非ひ局在きょくざい化かされており、それらの平均へいきん場じょう相互そうご作用さようにより対称たいしょう性せいが破やぶられる。この描像では、温度おんど上昇じょうしょうに伴ともない電子でんしが上向うわむきスピン状態じょうたいから下向したむきスピン状態じょうたいへ移動いどうするため、局所きょくしょ的てき磁化じかは一様いちように減衰げんすいする。一方いっぽう、電子でんし状態じょうたいが特定とくていの原子げんしに局在きょくざいし、原子げんしスピン間あいだの短距離たんきょり相互そうご作用さようのみがはたらく場合ばあいは、量子りょうしハイゼンベルク模型もけい（英語えいご版ばん）が用もちいられる。この場合ばあいも、有限ゆうげん温度おんど下かでは原子げんしスピン配向はいこうは理想りそう的てき配置はいちから逸脱いつだつし、したがって、強つよ磁性じせい体たいの巨視的きょしてきな磁化じかはやはり減衰げんすいする。

局所きょくしょ的てきな磁性じせいについては、多おおくの磁気じき構造こうぞうが磁気じき空間くうかん群ぐん（英語えいご版ばん）によって記述きじゅつされる。これにより、ある3次元じげん結晶けっしょう構造こうぞうにおいて可能かのうな上下じょうげスピン構成こうせいのすべての対称たいしょう群ぐんを列挙れっきょすることができる。しかし、この形式けいしきでは螺旋らせん磁性じせいのようなより複雑ふくざつな磁気じき構造こうぞうを記述きじゅつすることはできない。

研究けんきゅう手法しゅほう

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磁気じき構造こうぞう中ちゅうの秩序ちつじょは、磁化じか率りつを温度おんどおよび印加いんか磁場じば強度きょうどの関数かんすうとして観察かんさつすることによっても研究けんきゅうすることができるが、スピン配置はいちを3次元じげん画像がぞうとして実際じっさいに観測かんそくするためには、中性子ちゅうせいし回折かいせつが最もっともよく使つかわれる[1][2]。中性子ちゅうせいしが受うける散乱さんらんは結晶けっしょう構造こうぞう中ちゅうの原子核げんしかくによるものが主おもである。このため、相あい転移てんい点てん以上いじょうの、物質ぶっしつが常つね磁性じせい体たいとして振ふる舞まう温度おんど範囲はんいでは、中性子ちゅうせいし回折かいせつは結晶けっしょう構造こうぞうの画像がぞうのみを与あたえる。相あい転移てんい点てん、例たとえば反はん強つよし磁性じせい体たいにおいてはネール温度おんど、強つよ磁性じせい体たいにおいてはキュリー点てんより下したでは、中性子ちゅうせいし自体じたいのもつスピンが磁気じきモーメントに起因きいんする散乱さんらんも受うけるようになり、ブラッグ反射はんしゃの強度きょうどが変化へんかする。事実じじつとして、磁気じき構造こうぞうの単位たんい格子こうしが結晶けっしょう構造こうぞうの単位たんい格子こうしよりも大おおきい場合ばあい、まったく新あたらしいブラッグ反射はんしゃが発生はっせいすることもある。これは超ちょう構造こうぞう（英語えいご版ばん）形成けいせいの一いち形態けいたいである。したがって、構造こうぞう全体ぜんたいとしての対称たいしょう性せいも、結晶けっしょう構造こうぞうとは異ことなる結晶けっしょう群ぐんとなりうる。このような構造こうぞうは、磁性じせいを考慮こうりょしない通常つうじょうの空間くうかん群ぐんではなく、1651種類しゅるいある磁気じき空間くうかん群ぐん（ シュブニコフ（英語えいご版ばん）群ぐん ）のうちどれかにより記述きじゅつする必要ひつようがある[3]。

通常つうじょうのX線せん回折かいせつはスピン配置はいちについて「盲目もうもく」であるが、特殊とくしゅな形式けいしきのX線せん回折かいせつにより磁気じき構造こうぞうを研究けんきゅうすることが可能かのうになってきている。物質ぶっしつ中ちゅうのある元素げんその吸収きゅうしゅう端はし（英語えいご版ばん）に近ちかい波長はちょうが選択せんたくされた場合ばあいの散乱さんらんは異常いじょうを示しめし、この異常いじょう成分せいぶんは対たいになっていないスピンを持もつ原子げんしの外そと殻から電子でんしの、非ひ球たま対称たいしょう分布ぶんぷに（ある程度ていど）反応はんのうする。したがって、この種たねのX線せん異常いじょう回折かいせつ（英語えいご版ばん）から磁気じき構造こうぞうについての情報じょうほうを得えることが可能かのうである。

より近年きんねんでは、中性子ちゅうせいし源げんやシンクロトロン源みなもとに頼たよることなく磁気じき構造こうぞうを研究けんきゅうできる卓上たくじょう技術ぎじゅつが開発かいはつされている[4]。

単体たんたい元素げんその磁気じき構造こうぞう

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常温じょうおん・常つね圧あつ下かで強つよ磁性じせいを示しめす単体たんたい元素げんそは、鉄てつ、コバルト、ニッケルの3つのみである。これは、キュリー温度おんどTc室温しつおんよりも高たかいためである。（Tc > 298 K）。ガドリニウムは、室温しつおんのすぐ下かで（293 K）自発じはつ磁化じかを示しめしはじめるため、4番目ばんめの強つよ磁性じせい元素げんそとして数かぞえられることもある。ガドリニウムには螺旋らせん磁性じせい構造こうぞうを持もつことを示唆しさする研究けんきゅうがいくつかあるが[5] 、ガドリニウムは通常つうじょうの強つよ磁性じせい体たいであるという従来じゅうらいからの見解けんかいを補強ほきょうする研究けんきゅうもある[6]。

ジスプロシウムとエルビウムの単体たんたいは、どちらも2つの磁気じき相しょう転移てんい点てんを持もつ。これらはどちらも室温しつおんでは常つね磁性じせいを示しめすが、ネール温度おんど以下いかでは螺旋らせん磁性じせいを、キュリー温度おんど以下いかでは強つよ磁性じせいを示しめす。ホルミウム、テルビウム、ツリウムは、さらに複雑ふくざつな磁気じき構造こうぞうを示しめす[7]。

ネール温度おんどを超こえると秩序ちつじょを失うしなう反たん強きょう磁性じせい構造こうぞうもある。クロムは、ある程度ていど単純たんじゅんな反はん強きょう磁性じせい体たいのようにふるまうが、単純たんじゅんな上下じょうげ交互こうごスピン構造こうぞうの上うえに釣つり合あっていないスピン密度みつど波は変調へんちょうを持もつ[8]。マンガンのαあるふぁ-相しょうは29原子げんしの単位たんい胞を持もち、低温ていおんでは複雑ふくざつではあるが全体ぜんたいとして打うち消けしあう反たん強きょう磁性じせい配置はいちをとる（磁気じき空間くうかん群ぐん（英語えいご版ばん）P 4 2'm'）[9][10]。ほとんどの単体たんたい元素げんその示しめす磁性じせいは電子でんしに由来ゆらいするが、銅どうと銀ぎんの磁気じき秩序ちつじょは、電子でんしに比くらべはるかに弱よわい核かく磁気じきモーメント（ボーア磁子と核かく磁子をの差さを参照さんしょう）によって支配しはいされ、絶対ぜったい零れい度どに近ちかい転移てんい温度おんどをもつ[11][12]。

超ちょう伝導でんどう体たいとなる元素げんそは、臨界りんかい温度おんど以下いかで超ちょう反はん磁性じせいを示しめす。

元素げんそ番号ばんごう 元素げんそ名めい 超ちょう伝導でんどう Tc キュリー温度おんど ネール温度おんど
3 リチウム 0.0004 K[13]
13 アルミニウム 1.18 K[13]
22 チタン 0.5 K[13]
23 バナジウム 5.4 K[13]
24 クロム 311 K[14]
25 マンガン 100 K[14]
26 鉄てつ 1044 K[15]
27 コバルト 1390 K[15]
28 ニッケル 630 K[15]
29 銅どう 6×10−8 K[14]
30 亜鉛あえん 0.85 K[13]
31 ガリウム 1.08 K[13]
40 ジルコニウム 0.6 K[13]
41 ニオブ 9.25 K[13]
42 モリブデン 0.92 K[13]
43 テクネチウム 8.2 K[13]
44 ルテニウム 0.5 K[13]
45 ロジウム 0.0003 K[13]
46 パラジウム 1.4 K[13]
47 銀ぎん 5.6×10−10 K[14]
48 カドミウム 0.52 K[13]
49 インジウム 3.4 K[13]
50 スズ 3.7 K[13]
57 ランタン 6 K[13]
58 セリウム 13 K[14]
59 プラセオジム 25 K[14]
60 ネオジム 19.9 K[14]
62 サマリウム 13.3 K[14]
63 ユウロピウム 91 K[14]
64 ガドリニウム 293.4 K[15]
65 テルビウム 221 K[15] 230 K[14]
66 ジスプロシウム 92.1 K[15] 180.2 K[14]
67 ホルミウム 20 K[15] 132.2 K[14]
68 エルビウム 18.74 K[15] 85.7 K[14]
69 ツリウム 32 K[15] 56 K[14]
71 ルテチウム 0.1 K[13]
72 ハフニウム 0.38 K[13]
73 タンタル 4.4 K[13]
74 タングステン 0.01 K[13]
75 レニウム 1.7 K[13]
76 オスミウム 0.7 K[13]
77 イリジウム 0.1 K[13]
80 水銀すいぎん 4.15 K[13]
81 タリウム 2.4 K[13]
82 鉛なまり 7.2 K[13]
90 トリウム 1.4 K[13]
91 プロトアクチニウム 1.4 K[13]
92 ウラン 1.3 K[13]
95 アメリシウム 1 K[13]

出典しゅってん

[編集へんしゅう]
  1. ^ Neutron diffraction of magnetic materials / Yu. A. Izyumov, V.E. Naish, and R.P. Ozerov ; translated from Russian by Joachim Büchner. New York : Consultants Bureau, c1991.ISBN 030611030X
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  3. ^ Kim, Shoon K. (1999). Group theoretical methods and applications to molecules and crystals (digitally print. 1. paperback version ed.). Cambridge, U.K.: Cambridge University Press. p. 428. ISBN 9780521640626. https://archive.org/details/grouptheoretical00kims_306 
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