強磁場下のグラファイト

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本講座では、炭素の層状化合物であるグラファイト（黒鉛）の物性と、近年注目されているその磁場誘起相転移について説明する。グラファイトの磁場誘起相転移については現在研究がなされている分野のため、本講座で紹介する考え方や理論の正当性については保証できないことをご了承いただきたい。詳しくは最新の論文を参照されたい。

グラファイトの物性

グラファイトの磁気抵抗の振る舞い

物質に磁場をかけたときに電気抵抗が変化することを磁気抵抗効果という。本稿では以降、この磁気抵抗効果によって発生する抵抗を磁気抵抗と呼称する。磁気抵抗効果は1856年、William Thomson（Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lord_Kelvin ）によってはじめて発見された。磁気抵抗効果の起源の1つとして、磁場が存在する際に電気伝導を担う電子の軌道がローレンツ力によって曲げられ、その軌道とフェルミ面の構造との関係により生じる効果が知られている。

グラファイトについても磁気抵抗効果が現れることが知られており、その振る舞いは$H=15$ Tを境に異なっている。低磁場側では磁場の上昇に伴って線形に磁気抵抗が増加する一方、高磁場側では、飽和傾向が観測された。低磁場での振る舞いは1968年、J. W. McClureとW. J. Spryが、低温で支配的な散乱機構であるイオン化不純物散乱の磁場依存性という観点から説明している。高磁場については1974年にBrandtらが、$n=0$の準位の縮退度が大きくなり、超量子極限で電流キャリヤーの濃度が上昇するため、抵抗が飽和の方向へ向かうと説明している。

これらの研究により、当時は$15$ T以降も最高磁場まで飽和傾向が続くと考えられていた。

磁場誘起相転移の発見

田沼らの研究

グラファイトの極低温下の磁場誘起相転移（赤矢印）

ところが、1981年、田沼らの研究結果がそれまでの認識を改めさせた。 Kishグラファイトへの印加磁場を強くしていくとある磁場以上で急激な面内磁気抵抗の上昇が報告された。

この現象は、磁気抵抗上昇の異常な鋭さと転移磁場の強い温度依存性から、電子の一体的な振舞いによるものではなく、電子系の多体効果に起因する相転移であることを示唆している。

吉岡と福山の理論 - YFモデル

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