●東北大学金属材料研究所   大山 研司

 本稿では、希土類化合物での電気四極子秩序の研究に対して、原研JRR-3で行われた中性子回折実験が果たした役割について紹介する。
 立方晶など高い対称性を持つ希土類化合物では、磁気モーメントの自由度の他に、4f電子の空間分布、すなわち電気四極子モーメントに関する自由度が残る場合がある。 この自由度は、磁気秩序転移とは別の転移を引き起こす可能性を秘めている。実際、CeB6,TmTe等の希土類化合物で、電気四極子の秩序、 それも格子変形を伴わない反強四極子(antiferroquadrupolar: AFQ)秩序が確認されている。
 RB2C2（R=希土類）も、数年前に発見されたAFQ秩序物質で、特に正方晶構造を持つ点が重要である。 なぜなら、正方晶では厳密には電気四極子の自由度がないはずだからである。さらにRB2C2は、 これまでの四極子秩序の理解では捉えきれない新奇な性質を示す。すなわち

(1)DyB2C2での四極子転移点TQが他のAFQ秩序物質のTQより一桁程度高い。
(2)HoB2C2では磁気秩序温度以下でAFQ転移が起きる。
(3)TbB2C2では磁場印加によってAFQ秩序状態が安定化する。

等である。RB2C2でのこの特異なAFQ秩序のメカニズムはまだ未解決の問題であり、活発な研究が進められている。 このRB2C2での特異なAFQ秩序状態が確認される過程で、原研での中性子回折実験が重要な役割を果たした。
 図1は、HoB2C2およびDyB2C2での最低温無磁場相での磁気構造である。 この構造は、東北大学金属材料研究所がJRR-3ガイドホールT1-3に設置した中性子粉末回折装置HERMESでの測定から決定された。 重要な事は、c軸方向に隣り合う磁気モーメントが70〜80度と直角に近い角度をなし、しかも向きを左右に振るc軸2倍周期構造をとっている事である。 長周期磁気構造を除けば、磁気相互作用のみを考えた場合、磁気モーメントが平行あるいは反平行になるのが最も安定である。 従って、直角に近い角度で安定している図1の状態は磁気相互作用のみでは理解できず、この相では磁気モーメントを無理に直角に向ける効果が存在している事を意味している。
 実は、AFQ秩序化した場合、希土類での強いLS結合を通じて、磁気モーメントを直角に向ける効果が現れる。 従って、図1の特異な磁気構造は、この状態で四極子が反強的に秩序している事の証拠である。
 我々はさらに踏み込み、四極子秩序を直接観測するため、単結晶DyB2C2を用いて、 常磁性状態でかつ四極子秩序が実現している相での磁場中中性子回折実験を行った。実験は原研のTAS2を用いて行った。
 図2は核散乱のない（101）位置でのT=19K（常磁性状態）でのデータである。無磁場ではピークは観測されないが、 磁場印加とともに101反強磁性ブラッグピークが成長するのが分かる。通常の常磁性状態ならば、磁気モーメントは磁場に平行に誘起されるので、反強磁性成分は存在しない。 従って、図2の磁場で誘起された反強磁性ブラッグピークは、DyB2C2では、常磁性状態であっても、 AFQ秩序によって磁気モーメントが直角に近い角度を成している事を意味している。これは中性子で得られたAFQ秩序の最も直接的な証拠である。
 以上のように、原研で行われた中性子回折実験は、希土類四極子秩序の研究に大きな貢献をしている。さらに次のステップとして、 四極子秩序状態での格子スピンダイナミクス研究での成果が期待できる。

図1.DyB2C2、HoB2C2での無磁場下最低温相での 磁気構造。右図が磁気ユニットセル	図2.DyB2C2単結晶での、磁場で誘起された 反強磁性ブラッグピーク