Emergent rank-5 nematic order in URuSi

URuSiのランク5多極子によるネマティック秩序

池田 浩章*; 鈴木 通人; 有田 亮太郎*; 瀧本 哲也*; 芝内 孝禎*; 松田 祐司*

Ikeda, Hiroaki*; Suzuki, Michito; Arita, Ryotaro*; Takimoto, Tetsuya*; Shibauchi, Takasada*; Matsuda, Yuji*

ウラン化合物URuSiが低温において示す隠れた量子秩序相は、長年、多岐に渡る研究がなされてきたが、その秩序構造は未だ明らかにされておらず、固体物理学の一つのミステリーと目されてきた(それゆえ、隠れた秩序相を呼ばれている)。本論文の目的は、第一原理計算手法に基づいて、その隠れた秩序相における秩序構造を同定することにある。本論文では電子状態の詳細な解析結果の報告とともに、URuSiの多極子相関の計算結果から、対称性を持つ多極子のネマティック秩序が有力な秩序状態であることを示した。この結果は、実際に、実験的に観測される異方的な磁気励起、反強磁性秩序状態との競合、4回対称性の破れなどを含む実験結果を包括的に説明することに成功しており、長年の謎を解明する有力な秩序候補と言える。

The origin of the hidden-order phase transition of URuSi has been a long-standing mystery in condensed matter physics. We examine the complete set of multipole correlations allowed in URuSi based on a first-principles theoretical approach. The results uncover that the hidden-order parameter is a rank-5 multipole (dotriacontapole) order with nematic symmetry. This naturally provides comprehensive explanations of all key features in the hidden-order phase including anisotropic magnetic excitations, nearly degenerate antiferromagnetic-ordered state, and spontaneous rotational symmetry breaking.