ウランを含むスクッテルダイト化合物の物質探索と物性

含铀方钴矿化合物的材料勘探及物理性质

• 批准号: 16037215
• 负责人: 芳賀 芳範
• 金额: $ 4.8万
• 依托单位: Japan Atomic Energy Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16037215/
• 关键词: 単結晶育成; UFe_4P_<12>; アクチノイド元素; NMR; 超高圧; PuRhGa_5; 超伝導; UFe_4P_12; 充填スクッテルダイト

ウランを含むスクッテルダイト化合物UFe_4P_<12>の高純度単結晶の育成に成功した。単結晶X線回折により、原子座標、異方性温度因子及び各原子の占有率を決定し、いずれのサイトも原子が100%占めており組成のずれはないことがわかった。この結果はまた、^<31>P-角度分解NMRによっても裏付けられ、過去の報告に比べて欠損のない高純度の結晶が得られたと結論した。この試料を用いて電気抵抗を測定し、バンドギャップの圧力依存性を詳細に調べた。また、強磁場磁化、高温磁化率及び比熱の解析から5f^2電子配置と結晶場効果が支配的であることを示した。一方、ウランを越えた5f電子系である超ウラン元素の物性研究が大きく進展した。日本では初めて、プルトニウム金属間化合物の単結晶育成に成功し、それを用いた物性研究を行なった。まず、2003年に発見された超伝導体PuRhGa_5の単結晶による磁性と超伝導の研究を詳細に行い、上部臨界磁場が結晶に対する磁場方向により大きく変化することを明らかにした。このことは、伝導電子の有効質量が異方的であることを意味し、結晶の主軸方向とそれに垂直な方向とでは、有効質量が4.5倍異なることを初めて示した。この結果は、準2次元電子状態の存在を示唆しており、5f遍歴モデルに立つバンド計算の結果と矛盾しない。一方、常磁性PuIn_3では、プルトニウム化合物としては初めて、ドハース・ファンアルフェン(dHvA)の観測に成功した。得られた結果は、5f遍歴モデルにより見事に説明された。このことは、プルトニウムの5f電子が結晶中を遍歴していることを示した初めての結果であり、日本物理学会欧文誌の注目論文に選ばれたほか、新聞やラジオで大きく取り上げられた。これらを通じて、プルトニウムの取り扱いと密封試料による物性測定を行う環境が確立された。プルトニウムを含むスクッテルダイト化合物の挙動への関心は高いが、これに向けた環境整備が完了したと言える。新物質探索も進展した。電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)による半定量分析と、単結晶X線構造解析により、新しい結晶構造を持つ3つのセリウム化合物と1つのウラン化合物を発見した。このうち、U_3Ni_5Al_<19>は2つの結晶学的サイトにあるウランがあたかも独立に振舞い、異常な磁性を示すことが明らかとなった。また、CeAu_4Si_2はAu-Si共晶を用いることにより、これまでフラックス法が難しかったSiを含む化合物の探索が行えるようになった。これらの物質探索は、ウランを超えてネプツニウムまで調べられるような体制を完成し、今後超ウランの物質探索と、それらが示す未知の物性研究へと発展すると期待される。

我们成功生长出高纯含铀方钴矿化合物UFe_4P_<12>单晶。通过单晶X射线衍射测定了各原子的原子坐标、各向异性温度因子和占据率，发现所有位点均被原子100%占据，成分没有偏差。该结果也得到了 31 P-角分辨NMR的支持，并且得出的结论是，与之前的报道相比，获得了没有缺陷的更高纯度的晶体。使用该样品，我们测量了电阻并详细研究了带隙的压力依赖性。此外，强场磁化强度、高温磁化率和比热分析表明，5f^2电子排布和晶体场效应占主导地位。与此同时，超铀元素（超铀5f电子系）的物理性质研究也取得了较大进展。我们在日本首次成功生长了钚金属间化合物的单晶，并对其物理性质进行了研究。首先，我们对2003年发现的超导体PuRhGa_5单晶的磁性和超导性进行了详细研究，发现上临界磁场根据相对于晶体的磁场方向而发生很大变化。这意味着传导电子的有效质量是各向异性的，并且首次表明晶体主轴方向与其垂直方向的有效质量相差4.5倍。这一结果表明准二维电子态的存在，并且与基于5f巡回模型的能带计算结果一致。另一方面，在顺磁性PuIn_3中，首次在钚化合物中成功观测到德哈斯·范·阿尔芬（dHvA）。 5f 巡回模型很好地解释了所获得的结果。这是首次显示钚的5f电子在晶体中循环的结果，并被日本物理学会欧洲期刊选为值得注意的论文，并被报纸和广播广泛报道。通过这些努力，建立了处理钚并使用密封样品测量其物理性质的环境。人们对含钚的方钴矿化合物的行为非常感兴趣，可以说这项研究的环境已经完成。新物质的寻找也取得了进展。通过使用电子探针显微分析仪（EPMA）的半定量分析和单晶X射线结构分析，我们发现了具有新晶体结构的三种铈化合物和一种铀化合物。其中，据揭示，U_3Ni_5Al_<19>表现出不寻常的磁性，因为两个晶体位点中的铀表现得好像它们是独立的。此外，通过使用CeAu_4Si_2的Au-Si共晶，可以寻找以前难以通过熔剂法使用的含Si化合物。对这些材料的搜寻已经完成了一个系统，可以对铀以外的镎进行研究，并有望发展到对超铀材料的搜寻以及对其所表现出的未知物理性质的研究。

项目成果

Single-crystal growth and magnetic properties of a new ternary uranium compound U_3Ni_5Al_<19>

新型三元铀化合物U_3Ni_5Al_<19>的单晶生长及磁性能

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physica B 359-361
• 作者: Y.Haga;T.D.Matsuda;S.Ikeda;A.Galatanu et al.
• 通讯作者: A.Galatanu et al.

Single crystal growth and anisotropic superconducting property of PuRhGa_5

PuRhGa_5单晶生长及各向异性超导性能

• 发表时间: 2005
• 期刊: J. Phys. Soc. Jpn. 74・6
• 作者: Nagata;N.;Kubota;K.;T.Sota;T.;Y.Haga et al.
• 通讯作者: Y.Haga et al.

High-Temperature Magnetic Investigations on Uranium Compounds

铀化合物的高温磁研究

• 发表时间: 2005
• 期刊: J. Phys. Soc. Jpn. 74
• 作者: A. Galatanu;et. al.
• 通讯作者: et. al.

Single crystal growth and Fermi surface properties of ThIn_3

ThIn_3的单晶生长和费米表面性质

• 发表时间: 2005
• 期刊: J.Phys.Soc.Jpn. 74
• 作者: T.D.Matsuda;Y.Haga;S.Ikeda;H.Shishido et al.
• 通讯作者: H.Shishido et al.

^<31>P-NMR study of the uranium-based filled skutterudite compound UFe_4P_12

^<31>铀基填充方钴矿化合物UFe_4P_12的P-NMR研究

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physical Review B 71
• 作者: F.Honda;N.Metoki;T.D.Matsuda;Y.Haga;Y.Onuki;Y.Tokunaga et al.
• 通讯作者: Y.Tokunaga et al.