Heavy fermion state and quantum phase transitions in Yb-based compounds have recently attracted much attention. Since Yb(3+) ion (4f(13)) is the hole counterpart to Ce(3+) (4f1), formation of the heavy fermion state due to the conventional Kondo effect can be expected. There are, however, some important differences between Ce- and Yb-based compounds. Yb-based compounds tend to exhibit a valence transition/crossover. Indeed, several Yb-based heavy fermion compounds are considered to be close to a quantum critical point of the valence transition. Another important feature of Yb compounds is that Yb(3+) ions have a larger angular momentum J = 7=2 than J = 5=2 in Ce(3+). This large J value often results in a large (pseudo) degeneracy, especially in a cubic environment. By contrast, under a strong CEF of lower symmetry, the large J value would result in a strong magnetic anisotropy. These features of Yb-based compounds would lead to a rich variety of the quantum criticality and quantum phase transitions, of which not much has been known. In the present thesis, we studied field-induced phase transitions on single crystals of some ytterbium (Yb)-based compounds at very-low temperatures down to ~ 0.1 K by means of DC magnetization measurements. These include YbCo2Zn(20), YbIr2Zn(20) and Yb2Pt2Pb, all of which indicate "metamagnetic" behavior, a step-like increase in the field dependence of the magnetization M(H).

The cubic heavy-fermion compounds YbT2Zn(20) (T = Fe, Co, Ru, Rh, Os and Ir) are known to exhibit no long-range order at zero field and in ambient pressure. In these compounds, the Yb ion is located in a cage formed by sixteen Zn ions. Among the YbT2Zn(20) family, YbCo2Zn(20) is particularly of interest because it exhibits a gigantic electronic specific heat coefficient of 8000 mJ/molK2. In the previous AC susceptibility measurements, metamagnetism that can be ascribed to the heavy fermion state has been observed along the [100] direction with the critical field of μ0Hm = 0.6 T at low temperatures below ~ 0.3 K. We confirmed by the DC magnetization measurements that the metamagnetic behavior is nearly isotropic reflecting the cubic symmetry, in contrast with other heavy-fermion systems with lower symmetry in which metamagnetism appears only for a particular field direction. In the course of the experiment, we found a new metamagnetic transition above 6 T only for H//[111]. For the same direction, a clear kink has been observed in the temperature dependence of the magnetization M(T) above 6 T. These results indicate the existence of a new field-induced ordered phase whose order parameter is probably an quadrupole moment. This field-induced phase transition can be explained by a crossing in the pseudo-sextet CEF state formed by doublet and quartet for Yb(3+). A strong cubic anisotropy of M([100]) > M([110]) > M([111]) observed above 2 T can be also understood by the CEF scheme. Thus, our magnetization data confirm that the heavy fermion state in YbCo2Zn(20) is arising from the pseudo-sextet state. These results also suggest the stability of the Yb(3+) state in high magnetic fields, possibly due to a suppression of the heavy-fermion state by a magnetic field.

YbCo2Zn(20) is also known to undergo a quantum phase transition of a magnetic ordering by applying pressure at zero field. We attempted to drive the quantum phase transition by doping Ni for Co. We have grown the single crystals of Yb(Co,Ni)2Zn(20) (Ni/Co ~ 0.013) by the Zn self-flux method. While no evidence of a magnetic transition has been obtained, the metamagnetic behavior at 0.6 T disappears by the small Ni doping. Interestingly, the temperature dependence of the magnetic susceptibility X(T) in Yb(Co,Ni)2Zn(20) continues to increase even below 100 mK, in contrast to the behavior of X(T) in YbCo2Zn(20), which becomes constant below ~ 0.3 K. The results strongly suggest that the Ni doping makes YbCo2Zn(20) to approach the quantum critical point.

M(H) in YbIr2Zn(20) has been reported to exhibit anisotropic metamagnetism at μ0Hm = 9.7 T, 12 T and 13.4 T for H//[100], [110] and [111], respectively. This metamagnetic behavior is also not due to a long-range ordering. We derived the temperature dependence of the differential susceptibility dM/dH at the critical field Hm of metamagnetism from the M(H) data at several temperatures below 4.2 K. Xm(T) = (dM/dH)(H=Hm) indicates a weak upturn on cooling and does not saturate down to the base temperature of 0.09 K. This behavior is at odds with the typical Fermi liquid behavior. We confirmed that the upturn is not due to a Yb nuclear magnetization by carefully evaluating the effect of a hyperfine coupling between nuclear spins and the 4f magnetic moment. This upturn in Xm(T) provides possible evidence of the quantum criticality of the Yb valence crossover.

By contrast, 4f electrons in the tetragonal Yb2Pt2Pb are well localized and provide local moment magnetism. Magnetic properties of Yb2Pt2Pb can be well explained by the CEF model for Yb(3+). Yb(3+) ions in Yb2Pt2Pb are arranged in a two dimensional network formed by mixed rectangles and isosceles triangles, topologically equivalent with the Shastry-Sutherland lattice. Because of the strong CEF of low local symmetry, the magnetic moments of Yb ions show strong Ising type anisotropy with the easy axis pointing along either [110] or [110] direction in the two-dimentional plane of the Shastry-Sutherland lattice. Yb2Pt2Pb is known to exhibit an antiferromagnetic ordered phase (phase I) below TN = 2.1 K and a field-induced ordered phase (phase II) above ~ 1 T. The anisotropic magnetic phase diagram as well as the in-plane anisotropy in M(H) have been explained by Ochiai et al. on the basis of an Ising spin model with the orthogonal Ising axes along [110] or [110]. According to the model, the CEF ground state wave function is predominantly composed of |Jz = ±7/2>, where the quantization z-axis is either [110] or [110]. We studied the field-induced phase transitions in Yb2Pt2Pb at very low temperatures. Cascade metamagnetic transitions are observed around the I-II phase boundary at low temperatures. Interestingly, a nearly linear increase in M(H) has been observed in phase II even at a very low temperature of 0.08 K. In addition, the phase transition from phase II to the paramagnetic state is found to be of second order, reminiscent of a spin-flop state in ordinal antiferromagnets. However, the appearance of a spinflop state is highly incompatible with the Ising nature of the Yb moment. We show that this discrepancy can be solved by introducing a high-rank multipole interaction. The CEF ground state wave function, predominantly composed of |Jz = ±7/2>, can be represented by a pseudospin whose z component is Jz whereas x and y components are high-rank multipole moments. Then, a spin-flop-like state can be realized in a magnetic field parallel to the z axis even in the presence of a strong Ising anisotropy of the magnetic moment. Namely, phase II can be regarded as a canted state of the pseudospins. In the simplest approximation, the relevant high-rank multipole component of the pseudospin is a rank- 7 octacosahectapole (128-pole) moment. We have done numerical calculations based on a mean-field model incorporating the interaction between the rank-7 multipole moments. The basic features of the magnetic phase diagram as well as the magnetization M(H, T) are successfully explained by the model.

希土類元素を含む金属間化合物は、局在した4f電子が示す磁気秩序や多極子秩序、また4f電子と伝導電子の混成によって巨大な有効質量を持つ準粒子が出現する重い電子状態など多彩な現象を示し、強く相互作用する量子多体系の中心的なテーマとして過去40年にわたり精力的な研究がなされてきた。その多くはCe化合物を対象としてものであったが、近年Ybを含む化合物に関心が持たれている。YbはCeに比べて2価と3価の間の価数揺動状態を取りやすい、また3価のYbイオンは大きな角運動量7/2を持ち、対称性の高い立方晶の結晶場中ではCeに比べて高次の多極子自由度が重要になる、といった特徴をもち、より多彩な基底状態や量子相転移が期待される。志村恭通氏提出の本論文は、以下に述べる3種類のYb化合物に対して、特に極低温の磁化過程において磁化がある磁場で急激に増加するメタ磁性と呼ばれる現象に焦点を当てて、その機構や量子状態の変化について考察した結果を述べたもので、全6章からなる。

第1章は序論で、希土類元素が示す磁性、特に結晶場中のf電子の状態、多極子自由度とその秩序、Ybを含む重い電子系が示す量子臨界現象や価数相転移について説明されている。第2章では、本研究の主要な実験手段である極低温下の直流磁化測定と、測定に用いた単結晶試料について説明されている。磁化測定は勾配磁場を含む直流磁場中の試料が受ける力を検出するファラデー法と呼ばれる原理に基づいている。これは志村氏が所属する物性研・榊原研究室で開発された技術であるが、志村氏は本研究を遂行するに当たり、バックグラウンドとなる試料ホルダーからの反磁性磁化を極力小さくし、測定精度を向上させる工夫を行っている。

続く3章が本論文の主要な部分である。第3章では、Zn原子が立方対称のカゴ状構造を形成しその中心にYbが位置する重い電子系化合物YbCo2Zn(20)において、従来知られていた0.6テスラの磁場における等方的なメタ磁性に加えて、6テスラ以上の磁場下で[111]方向でのみ観測される新たなメタ磁性転移を発見した結果が述べられている。磁化測定のデータに対する熱力学的な考察や、結晶場準位を仮定したモデル計算と実験結果の比較によって、基底2重項から6Kという小さなギャップを隔てた励起4重項の結晶場レベルが[111]方向の磁場印加によって基底状態と交差することが、メタ磁性転移の起源であることを結論した。Znの作る高対称のカゴ状構造が、多重に擬似縮退した結晶場準位の原因となっていると考えられる。一方で新しい高磁場相における秩序変数を決定することは、今後の研究に委ねられている。またYbCo2Zn20は8J/molK2という超巨大な電子比熱係数を持つこと、磁化率が0.3ケルビンという低温でピークを示すことから非常に小さい特性エネルギーを持つフェルミ液体の形成が示唆されている。志村氏は、Coを約1%Niで置換し化学的圧力を加えた試料において、磁化率が70ミリケルビンまで飽和することなく増加し続けることを観測し、反強磁性の量子臨界点に極めて近い系を実現した。

第4章ではYbCo2Zn(20)と同じ結晶構造を持ちf電子の遍歴性がより強いと考えられるYbIr2Zn(20)に関する結果が述べられている。この物質は10テスラ付近の磁場下でメタ磁性転移を示すことがすでに知られているが、志村氏は転移の異方性や温度依存性を詳細に調べ、その起源を考察した。特に、磁化の磁場微分として定義される微分磁化率がメタ磁性転移磁場においてシャープなピークを示すこと、更にその値が低温に向かって発散的に増大すること、またこの増加がYb原子核に起因するものではないことを検証した。本論文では、このようなフェルミ液体では記述できない量子臨界性がYbの価数変化に起因する可能性が言及されている。

第5章では、f電子系がほぼ局在しているとみなせるYb2Pt2Pbの低温秩序状態に関する結果が述べられている。擬2次元的な結晶構造を持つこの物質においては、3価のYbイオンが、互いに直交する2種類のダイマーから成るシャストリー・サザーランド格子と呼ばれる格子を形成する。以前の研究から、ゼロ磁場では2.1ケルビン以下で反強磁性秩序が現れ、磁化過程が多段のステップを示すこと、1-2テスラの磁場を境に低磁場相Iと高磁場相IIの二つの秩序相が存在することが分かっている。更に、ダイマー方向に強いイジング異方性を仮定した直交イジングモデルによって、磁気相図の異方性がおおよそ説明されていた。志村氏は80ミリケルビンの極低温下において精密な磁化測定を行い、I相からII相へのメタ磁性転移が1次転移であるのに対し、II相から磁化飽和相への転移が2次転移であること、これら以外にも多くの多段のメタ磁性転移が存在すること、II相においては磁化がほぼ磁場に比例して増加することを見出した。II相における磁化の磁場依存性は、通常の反強磁性体におけるスピン・フロップ相の振る舞いと良く似ている。しかしスピン・フロップ相を特徴づける磁場に垂直な磁化成分は、強いイジング性とは相容れない。この矛盾を解決するモデルとして、志村氏はII相における高次の反強多極子秩序を提案した。Ybの結晶場基底状態がJz=7/2とJz=-7/2のクラマース2重項から成る単純なケースを仮定すると、反強秩序を形成する多極子は7次のモーメントに限られる。志村氏は最近接の磁気双極子間および7次のモーメント間に交換相互作用が働く簡単なモデルに分子場近似を適用して、実験で得られた相図やII相における磁化過程の特徴をほぼ再現することに成功した。より現実の物質に近いモデルを構築することは、今後の課題として残っている。

第6章は全体のまとめである。最後に付録としてYbを含まないPrV2Al(20)の高磁場において新しい秩序相を発見した最近の研究成果が述べられている。

本論文では、遍歴性の異なる3種類のYb化合物の精密な低温磁化測定の実験と、熱力学的な考察やモデルハミルトニアンを仮定した計算結果との比較を通じて、Ybを含む化合物が多彩な量子状態を取り得ること、そこにはこれまで知られているCe化合物とは異なる特徴が表れていることが明らかになった。本論文の成果及びそこで明らかになった問題は、今後のYb化合物に関する実験的・理論的研究を更に促すことが期待される。本論文はf雷子系の研究の進展に大きく貢献し、学位論文に十分相応しい水準にあるという点で、審査員全員の意見が一致した。

なお、本論文は、指導教員である榊原俊郎氏をはじめ、大貫惇睦氏、吉内伸吾氏、杉山清寛氏、岩川健氏、本田史憲氏、摂待力生氏との共同研究に基づいているが、論文提出者が主体となって実験及び考察をおこなったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断できる。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。