金属中におけるSm³⁺イオンの磁性に普遍的な特徴を明らかにするため、励起多重項(第2励起多重項まで)、交換相互作用、結晶場、伝導電子のスピン偏極の効果を取り入れたsfモデルに基づくハミルトニアン(次式)を出発点として磁化の計算を行った。

　右辺第1項、第2項、第3項はそれぞれスピン軌道相互作用、結晶場ポテンシャル、ゼーマンエネルギーである。第4項及び第5項は4fスピンに働く交換相互作用項であり、第4項にみられるJはsf交換相互作用定数の波数が0のフーリエ成分、は1イオン当たりのフェルミ準位における状態密度である。

　秩序モーメントや常磁性帯磁率などの計算を行った結果、交換相互作用や結晶場を通しての励起多重項の混合及び伝導電子の偏極の効果がその大きさ及び温度依存性に劇的に作用することが明らかになった。この計算によって、hcp-Smの測定結果に見られるような磁化や帯磁率の異常な振る舞いが交換相互作用が働くSm³⁺に一般的に現れる現象であることが示され、また秩序モーメントの温度依存性がスピン.軌道両磁気モーメントの温度依存性の違いに起因したフェリ磁性的現象の結果であるという考え方が本質的に正しいものであることが結論された。さらに、スピンモーメントと軌道モーメントの温度依存性の相違が全磁気モーメントの多様な温度依存性として顕在化するにあたり、伝導電子の偏極効果によるスピンモーメントの増強が重要な役割を果たすことを明らかにした。

図1 秩序磁化の実験値(■)と計算値(実線)の比較

　計算によって明らかにされた磁化の多様な温度依存性は、逆にSm³⁺のみを磁性イオンとして含む強磁性物質の磁化の測定がSm³⁺イオンの局所環境に関する知見を得る有効な手段となり得ることを示唆している。そこで、hcp-Sm以外にも、SmZn、SmCd、SmAl₂の各試料を作製して磁化の測定を行い、理論計算との比較によって測定結果の解析を行った。

　図1に解析結果の一例としてSmZn及びSmCdの秩序磁化に対する実験値と計算値との比較を示す。理論曲線は実験的に得られた秩序磁化のフェリ磁性的な温度依存性を見事に再現している。こうした解析から、通常ではX線や中性子線などを用いなければ観測することのできない4f電子のスピンモーメント、軌道モーメント及び伝導電子のモーメントといった全磁気モーメントの各構成成分を半定量的に評価することができた(表1)。hcp-Sm、SmZn、SmCdでは伝導電子の偏極によって増強されたスピンモーメントが軌道モーメントを僅かに上回って秩序モーメントを構成していること、SmAl₂の秩序モーメントに関しては後者が前者を上回り、転移点近傍で両者が殆ど相殺することなどを本解析から結論することができた。なお、hcp-Sm、SmZn、SmCdにおけるスピンモーメントの全磁気モーメントに対する極性はSm³⁺自由イオンの場合とは逆になっている。

表1:秩序モーメントの解析から求まった絶対零度におけるモーメントの内訳:全磁気モーメントの極性を正としている

　巨視的な磁化の測定とはまた別の側面からSm³⁺モーメントを調べ、両者の整合性を検討することは重要である。特に磁化の計算や解析から明らかになったようにSm³⁺の特徴的な磁性を発現させている影の主役が全磁気モーメントの中に隠された4f電子のスピンモーメントや軌道モーメント、及び伝導電子の磁気モーメントであるので、これらを分解して測定する手段があればそれはSm³⁺の磁性研究において極めて有用である。そのような実験の1つとして高エネルギー物理学研究所の6.5GeV蓄積リング・ビームラインNE-1においてhcp-Smの磁気コンプトン散乱実験を行った。この実験は磁気モーメントのうちのスピン部分だけを観測し、かつスピン偏極電子の運動量空間における密度分布を与えるという特徴を持っている。即ち、得られたプロファイルの符号から磁化に対するスピンモーメントの極性を判別することができ、またプロファイルの形状から4f電子と伝導電子の寄与を分離することが可能である。この実験の目的は、磁化の解析結果から結論されたスピンモーメントの極性とその中に占める伝導電子のスピン偏極の寄与の割合(磁化の解析からは4f電子のスピンモーメントに対して15〜16%程度の大きさと見積もられている)とを検証することである。

図2 hcp-Smの磁気コンプトンプロファイル

　得られた磁気コンプトン散乱プロファイル(図2)の、符号はスピンモーメントが全磁気モーメントに対して正に寄与していることを示している。本実験においては極性判断の標準試料としてSmCo₅を用い、両者の信号の符号を比較した。また、図中破線で示してあるのは理論的に計算された4f電子のコンプトンプロファイルであるが、低運動量領域に見られる計算値と実験値との差が伝導電子からの寄与であると考えられ、その面積強度比から伝導電子がスピンモーメントを(4f電子に起因したもののみに比べ)2割程度増強していることが導かれた。これらの結論は磁化の解析結果とよく一致しており、目的として述べた2つの項目を実証することができた。

　強磁性Sm物質の磁化がスピン・軌道両磁気モーメントの温度依存性の違いによりフェリ磁性体と同様の多様な温度依存性を発現させることが以上の研究により明らかになったが、これはSm³⁺に固有の性質であり、強磁性Sm化合物に他の物質では代替不能な材料機能を付与できる可能性を示唆している。特に両者が打ち消し合う温度(補償温度)では、漏洩磁界を発生させずに巨視的な領域におけるスピン磁気モーメントの強磁性的な配列を保つことが可能であり、電子スピン偏極度の測定素子などへの応用が期待できる。そこで、補償温度を人為的に制御するための指針を得るため、SmAl₂を母化合物とし、そのSmの一部を他の元素で置換した場合の磁化の変動を調べた。

　非磁性元素(Sc、Y、La)による置換は単純な磁気希釈効果しか持たず、例えば、格子定数の変化を通して間接的に伝導電子の偏極度を操作するといった可能性は現実的でないことが分かった。一方、Nd及びGdの置換は磁化を大きく変化させ(図3)、Gdの置換によって補償現象を実現できることが分かった。

図3 Sm_1-xR_xAl₂の熱磁化曲線:R＝Nd,Gd.数値は置換量x.