Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

量子臨界点 / 電子ネマティック相 / 反強磁性 / 量子揺らぎ / 高温超伝導 / 圧力効果 / 非フェルミ液体 / 異常金属 / 電子相図 / 化学置換 / 超伝導ギャップ / 有効質量 / 回転対称性 / 低温物性測定 / 超伝導 / 量子相転移 / BCS-BECクロスオーバー / フェルミエネルギー / 強結合超伝導 / 超伝導揺らぎ / 電子ネマティック秩序 / 非従来型超伝導 / 擬ギャップ

絶対零度における二次相転移である量子臨界点近傍で発達する揺らぎが、超伝導や電子物性にどのような影響を及ぼすかを明らかにするために、鉄系超伝導体FeSeにおけるS置換効果と圧力効果を調べた。その結果、S置換系では、回転対称性の破れた電子ネマティック相が抑制され、非磁性のネマティック量子臨界点を実現した。この近傍では、超伝導転移温度は低いものの、非フェルミ液体的振舞いが観測された。一方、圧力印加では、電子ネマティック相が完全に抑制される前に圧力誘起の反強磁性が出現し、圧力印加とともにドーム構造を示すことが明らかとなった。さらに、高圧側で反強磁性が抑制されるとともに高温超伝導相が実現した。

本研究でFeSe超伝導体における化学置換により、非磁性の電子ネマティック量子臨界点が初めて実現し、様々な物質で見られている反強磁性量子臨界点との比較が可能となった。その結果、反強磁性量子臨界点近傍でしばしば観測されている温度に比例する電気抵抗の温度依存性が、ネマティック量子臨界点においても見られることが明らかとなった。また、超伝導転移温度はネマティック量子臨界点によるネマティック揺らぎにより上昇する振る舞いは見られず、むしろ圧力印加により出現した反強磁性の揺らぎがこの系の高温超伝導発現により重要な役割を果たしていると考えられる。

重い電子 / 非従来型超伝導 / 量子臨界点 / 界面 / スピン密度波 / 量子スピン液体 / 鉄系超伝導 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 鉄系高温超伝導 / 銅酸化物高温超伝導 / 重い電子系 / 超伝導対称性 / トンネル顕微鏡 / 人工超格子 / 超伝導 / 分子線エピタキシー / 量子臨界 / ２次元 / BCS-BECクロスオーバー / 量子スピン系 / 空間反転対称性の破れ / 空間反転対称性 / 新奇超伝導状態 / 走査型トンネル顕微鏡 / 界面制御

重い電子系化合物の人工制御、特に重い電子系化合物CeCoIn5、CeRhIn5を含む様々な人工超格子を作製し、量子臨界点の研究や新奇な超伝導状態の研究を行った。特にd波超伝導体CeCoIn5を含むトリコロール超格子により、空間反転対称性の破れを人工的に制御することに成功し。さらにCeCoIn5とスピン密度波化合物CeRhIn5を原子層単位で、積層成長させた人工超格子を作製し、圧力をかけることにより、界面を通して磁気揺らぎを超伝導状態に注入することに成功した。また超高真空中でエピタキシャル成長し清浄表面を持つ、CeCoIn5とCeRhIn5薄膜のトンネル顕微鏡による分光にも成功した。

超伝導 / 非一様性 / 超流動 / 強結合効果 / クーパー対形成 / 相互作用制御 / 相転移温度 / BCS-BECクロスオーバー / 不純物効果 / 対形成機構 / BEC状態 / スピン揺らぎ / 銅酸化物超伝導

クーパー対対形成にかかわる引力相互作用を外部から制御するという、本研究のアイデアに通じる手法が希薄原子気体で実現されたことを受け、前年度に引き続き、超伝導とも理論的枠組みが同じでかつ相互作用が可変な光学格子中のフェルミ原子ガスにおける強結合超流動を研究した。
前年度は、一様系に対し有効な理論であるNozieresと Schmitt-Rink(NSR)のガウス揺らぎの理論を格子系に適用したが、今年度はこの理論を越え、対の揺らぎの効果を自己無撞着t行列理論で取り込み、更に化学ポテンシャルに対する強結合効果も加味した理論を構築、弱結合から強結合にいたる超流動転移温度の変化を計算した。格子系でNSR理論と自己無撞着t行列理論を比較した結果、NSR理論は転移温度を4倍程度も過大評価することを見出した。すなわち、ハーフフィルドの場合、超流動転移温度の最高値は超流動揺らぎによりフェルミエネルギーの4%程度にまで抑えられることを見出した(NSR理論では16%程度である。)。この結果は系の詳細に依存しないものであり、同じく結晶格子が存在する銅酸化物高温超伝導でも、NSR理論を越えて自己無撞着t行列理論を用いることが定量的な議論のためには必要であることが示された。また、この結果を単純に用いると、例えば10000[K]のフェルミエネルギーを有する格子系では転移温度は400[K]程度が限界であり、これは今後、室温超伝導を目指す研究において一つの指針になると期待される。これと併せ、不純物やトラップポテンシャルのような空間の非一様性の効果を研究、強結合領域でクーパー対の空間分布構造を反映した微細構造が粒子密度の空間分布に現れることを示した。こうした微細構造は銅酸化物超伝導で実際に観測されており、対形成相互作用の影響を反映した効果として今後更に研究を進める必要がある。

【研究分担者】
水上雄太	東京大学	大学院新領域創成科学研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
下澤雅明	東京大学	物性研究所	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
芝内孝禎	東京大学	大学院新領域創成科学研究科	教授	(Kakenデータベース)
笠原成	京都大学	理学研究科	助教	(Kakenデータベース)
花栗哲郎	国立研究開発法人理化学研究所	その他	研究員	(Kakenデータベース)
寺嶋孝仁	京都大学	理学研究科	教授	(Kakenデータベース)