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Ba3Nb5O15はtetragonal tungsten bronze (TTB)構造をとり、Nbの平均価数が4.8価で4d電子がNbあたり0.2個あるために金属となる。一方、Baを同じ2価のSrやEuで置換すると金属絶縁体転移を起こし、Eu置換においては金属絶縁体転移近傍の組成でNb
4d軌道の伝導電子とEu2+のs=7/2の局在スピンの間の相互作用に由来する巨大な負の磁気抵抗を示すことが知られている。
NbをTaにおき代えたBa3Ta5O15もTTB構造をとることが知られているが、その物性は明らかになっていない。伝導電子がNbの4d軌道からTaの5d軌道に代わることによる相違を明らかにすることも目的に、Ba3Ta5O15およびBaを2価のEuで置換したBa3-xEuxTa5O15の単結晶を作製してその物性を調べた。その結果、母物質のBa3Ta5O15はNbの場合と同様に、c軸方向の電気抵抗率が1桁程度低い異方性のある金属であること、またBaをEuで置換するとNbの場合と同様に金属絶縁体転移を起こすこと、さらに金属絶縁体転移近傍で負の磁気抵抗を示すことを見出した。一方、光学反射率測定による光学伝導度スペクトルにおけるドルーデウェイトがNbの場合の半分程度であること、Eu置換によって金属絶縁体転移する組成がNbの場合はx=2.2程度であるがTaの場合はx=1.7程度であること、また負の磁気抵抗の大きさがNbの場合は最大でρ(0)/ρ(H)～104程度まで大きくなるがTaの場合は ρ(0)/ρ(H)～8程度に留まることが明らかになった（図1）。このような違いは、Taの5d軌道がNbの4d軌道よりも浅い位置にあるため、酸素2p軌道との混成が小さいこと、Eu2+の4f準位とのエネルギー差が大きくなってd電子と4fスピンとの磁気的相互作用が小さくなることに由来すると考えられる。
図1 左：Ba3-xEuxTa5O15単結晶の抵抗率 右：Ba3-xEuxTa5O15 (x=1.6)単結晶の磁気抵抗効果
H. Takei, S. Ito, K.Iwamoto, Y. Katayama, K. Ueno, H. Kuwahara, and T. Katsufuji,<br>
“Transport, magnetic, and magnetotransport properties of Ba3−xRxTa5O15(R=rare earth) ”,
Phys. Rev. Mater. 8, 054405 (2024).
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