定荷重式加圧装置を用いた“近藤半導体”CeRhAsの逐次構造相転移に対する圧力効果の研究

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1 第 46 回高圧討論会 ( 室蘭工業大学平成 17 年 10 月 30 日 ) ブリッジマンアンビルセルを 用いた高圧下比熱測定法 の開発 梅尾和則, 久保博一, 高畠敏郎 広大院先端物質

2 1. はじめに希土類 ウランを含む化合物 圧力誘起の量子相転移点近傍で非フェルミ液体的挙動 (C/T lnt ) や超伝導を示すものがある 低温 (<10K) 高圧力下の比熱測定が必要 交流法の利点 試料の量が微少でよい 原理的に試料を断熱状態にする必要がない 高圧力下での測定に有利

3 1-1. 交流法の原理 [1] 熱 ヒーター ( 熱容量 C H ) R H P P 1 0 cos t 浴 R ext 試料 ( 熱容量 C s, 熱拡散率 D) R θ 温度計 ( 熱容量 C θ ) int 交流法の熱的モデル図

4 試料温度の交流成分の振幅 T ac P C T 0 ac F int F 2 1/ 2 K 2 1 ext int : 試料内に熱が伝わる速さを示す時定数 : 試料から熱浴に熱が伝わる速さを示す時定数 交流法の条件 ext int ext 1 1 ( 試料内の温度が一様に振動する ) (T ac が減衰しない ( 交流熱の断熱条件 )) P 0 C T ac F 1

5 1-2. 高圧力下の測定 交流法の条件を満たすために (i) 適度な熱抵抗を持ち 熱容量の小さい圧力媒体を選択 τ ext を大きくする ( 例 ) ダイヤモンドパウダー 比較的大きな試料の測定が可能問題点 : ダイヤモンドパウダーによる非静水圧性 (ii) 試料を小さくして τ int を小さくする 温度計 : 熱電対 τ ext の小さな液体の圧力媒体でも測定可能比熱の絶対値を求めるのが困難

6 1-3. ピストン シリンダー圧力セルを用いた高圧下交流法熱量計の例 我々が開発した熱量計の試料部分 [2] Piston (WC) Seal Ring (Be-Cu) Teflon Bucket Epoxy Resin (Stycast 2850GT) Electrode Plug (Be-Cu) 5 mm Diamond Powder (2-4 m) Thermometer (RuO 2 ) Sample Heater (Moleculoy) In ( 直径 3mm) Cylinder (Be-Cu) ( 粒度 2~4μ m : 予備加圧して充填率を上げる ) (RuO 2 厚膜チップ抵抗, mm 3, 0.8mg, 3.8 kω ) ( モレキュロイ線, 25 μ m) In 金属で試料を包む 柔らかい In で非静水圧性の緩和 超伝導転移温度 Tc で圧力測定 Tc での比熱の跳びで絶対値の較正

7 dr/dt ( /K) R ( ) 圧力容器 RuO 2 抵抗温度計の抵抗の圧力効果 Locking Nut Shuft Holder GPa 0.68 RuO 2 (a) Piston (WC) Cylinder (Be-Cu) Tef lon Bucket Electrode Plug Backing Plate Thermometer ( 較正済み Ge 抵抗温度計 ) GPa (b) 3 cm 実験ごとにシリンダー内の RuO 2 抵抗温度計を較正 T (K) R と dr/dt は圧力とともに減少

8 C/T (mj/molk 2 ) In の比熱の測定例 40 In+Addenda 30 In : 27.53mg P= K 付近に超伝導転移に起因する比熱の跳び 文献値より僅かに大きい 温度計とヒーターの比熱 :O'Neal et al. :Clement et al. 圧力下でも T c での比熱の跳びは鋭い GPa T 2 (K 2 ) 試料内の圧力分布 ±0.02GPa 圧力増加とともに比熱減少 デバイ温度の増加

9 1-4. ブリッジマンアンビルセルを用いた高圧下交流法熱量計の例 For high pressure For low pressure ブリッジマンアンビルセルを用いた交流比熱測定における試料セッティングの様子 [3,4] サンプル A はヒーターの上に置かれている サンプル B は鉛の箔で覆われており サンプル A よりも静水圧に近い圧力下にある 熱電対は Au (Fe)- クロメルである 圧力媒体はステアタイトである

10 1-5. ダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧下交流法熱量計の例 ダイヤモンドアンビルセルを用いた交流比熱測定システム [5] (1) サンプル (2) 圧力測定用ルビー (3) ダイヤモンドアンビル (4)He ガス駆動型加圧装置 (5) 光チョッパー (6) 光ファイバー (7)Au- クロメル熱電対 (8) ステンレススチール製ガスケット (9) トランス

11 1-6. これまでの高圧下交流法熱量計の問題点 ( ピストン シリンダー圧力セルを用いた場合 ) (1) 抵抗温度計の加圧による感度低下 (2) 発生圧力が低い (~2GPa) ( ブリッジマンアンビルセルなどを用いた場合 ) (1) 熱電対の圧力効果の正確な評価が困難 (2) 圧力媒体の比熱の見積もりが困難 比熱の絶対値の測定が困難 対策 温度計に圧力を加えない 常圧下と同程度の精度での比熱測定 より高圧下 (~10GPa) の測定を目指す ブリッジマンアンビル

12 2. 新しい交流法熱量計のデザイン改良点 (1) ブリッジマンアンビルセル ( アンビル面 φ5) の採用 より高圧下 (~10 GPa) を発生 (2) 温度計をガスケット (Be-Cu) の外縁に配置 感度の圧力変化なしチップ抵抗 ( 釜屋電気社製 Be-Cu ガスケット外径 :6 mm, 内径 :1.5 mm 厚さ :0.5 mm, 重さ : mg Force In mm 3.9 kω ) 応答速度をあげるため アルミナ基盤部分の厚さを半分に削った Be-Cu Thermometer (Chip resistor) Heater Cu Diamond Powder (0-1micron) Cu 板 厚さ :0.07 mm, 重さ : 35.74mg Bridgman Anvil Force 5mm ガスケットとアンビルを熱的に絶縁するため

13 2-1 試料部の様子 アンビル面にダイヤモンドパウダーを乗せたところ 温度計 ヒーター用電極ターミナル ダイヤモンドパウダーの上に試料部を乗せて 温度計 ヒーターのリード線を配線したところ チップ抵抗温度計 試料部 (Cu 板 ) ヒーター ( チップ抵抗 ) 抵抗体 リード線 アルミナ基盤 1mm

14 2-2 実験方法 試料 :In (5.64 mg) 加圧 : クランプ式圧力セル 温度 :0.4~5 K ( 3 He クライオスタット ) 試料温度の交流成分の検出 ロックインアンプ Locking Nut (Be-Cu) Cell Body (Be-Cu) Anvil(WC) Anvil Guide (Be-Cu) 5 Ground Nut (Be-Cu) 28 mm

15 C/T ( J/K 2 ) 3-1. 結果 -In の比熱 In+Be-Cu gasket In : 5.64 mg Gasket : mg Tc 圧力を加えても比熱の絶対値はほとんど変化しない 低温の比熱の増加 ガスケットの磁性不純物の寄与? 4 2 F=0 F=3 ton T 2 (K 2 )

16 C/T ( J/K 2 ) 3-2. In の超伝導転移による比熱異常 5 4 In+Be-Cu gasket In : 5.64 mg Gasket : mg F=0 Tc In の超伝導転移に伴う明確な比熱の跳びを観測 荷重 3ton を加えたときの In の超伝導転移温度 2.82 K 圧力 P=1.6 GPa 3 F=3 ton 圧力下でも転移の温度幅はほとんど変化なし 圧力分布は小さい T (K) 圧力を加えても比熱の絶対値はほとんど変化しない

17 C/T ( J/gK 2 ) 3-3. Be-Cu ガスケットの比熱の絶対値 Be-Cu+Cu gasket Gasket : mg P=0 In の超伝導転移の比熱の跳びから比熱の絶対値を較正 In の比熱を文献値から差し引く Cu ガスケットの比熱は Cu の比熱とほぼ一致 T 2 (K 2 )

18 T/T 緩和時間の測定 In+Be-Cu gasket gasket : mg T=1.5 K F=0 ext=3.4s τ ext : ヒーターに定常電流を流して 試料温度の緩和曲線から算出 Af/(Af)0 F=3ton ext=0.8s T/T 0 =exp(-t/ ext ) t (s) In+Be-Cu gasket gasket : mg F=0 T=1.5 K ext =3.4s int =0.004s f (Hz) τ int : ロックインアンプの出力 A の周波数依存性から決定 P0 A T C F ac P Af C 2 1/ 2 K 2 0 F 1 int 2 f ext

19 荷重 (ton) In の超伝導転移温度 (K) 3-5. 緩和時間の圧力変化 P(GPa) τ (sec) τ (sec) F(ω 加圧すると τ ext は低下 ダイヤモンドパウダーの層の熱伝導率の増加 加圧しても τ int は変化なし 試料部分の熱伝導率は変わらない

20 4. まとめと今後の予定 ブリッジマンアンビルを用いた新しい交流法熱量計を考案 1. 温度計をガスケットの外縁に配置 常圧と同じ精度での測定を実現 2. 試料部分とアンビルとをダイヤモンドパウダーで熱的に絶縁 より高精度で簡便な測定が可能 今後の予定 さらに高圧 (~10 GPa) を目指してアンビル径とガスケットの厚さ 内径の最適化アンビル面の形状の改良 Be-Cu ガスケットの硬化処理さらに低温 (<100 mk) を目指して希釈冷凍機で圧力セルを冷却

21 参考文献 [1] 日本熱測定学会編 熱量測定 熱分析ハンドブック [2] K. Umeo, H. Kadomatsu and T. Takabatake:J. Phys.: Condens. Matter 8 (1996) [3] F. Bouquet, Y. Wang, H. Wilhelm, D. Jaccard and A. Junod: Solid State Commun. 113 (2000) 367. [4] H. Wilhelm: cond-mat/ ; Adv. Soild State Phys., Vol. 143, ed. B. Kramer (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2003) p [5] A. Demuer et al.,: J. Low Temp. Phys. 120 (2000) 245.

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