【研究領域課題番号】22KK0036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強磁場 / 熱輸送 / 強相関電子系 / エキゾチック凝縮相 / ハイブリッド磁場

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

【研究期間】2022-10-07 - 2028-03-31

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【研究領域課題番号】21K18144 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン液体 / スピノンフェルミ面 / 強磁場 / 核磁気共鳴 / 輸送特性 / 強相関電子系 / フラストレーション / 量子スピン液体 / スピノン / 分子性物質

【研究成果の概要】

本研究課題は、「スピン液体」の微視的状態の理解を目指している。対象とする物質は有機スピン液体候補物質であるk-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3とEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2である。
研究初年度では、スピン液体を説明する一つのモデルであるスピンノンフェルミ面の検出を目指して核磁気共鳴および高磁場物性の測定を行った。
スピノンのフェルミ面が存在する場合、物理量に磁場に対する量子振動が期待される。この検出を目的として、東京大学物性研、国際超強磁場科学研究施設のパルス磁場を利用してトルク、磁気熱量効果、誘電率、超音波速度、電気抵抗測定を行った。両塩ともに50 Telaまで明瞭な量子振動は観測されなかった。一方で、k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3はEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2よりも大きな磁場依存性を示し、6 Kという特徴的な温度で磁気熱量効果と超音波速度の磁場依存性に顕著な変化が見られた。これに対してEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2では特徴的な温度の存在は確認できないなど両塩に違いがみられた。
また、k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3について1H NMR測定を常圧で行った結果、スピン-格子緩和率は6K付近までは13C NMRのそれと同じ温度依存性を示すのに対し、それ以下では違いが生じ、3K付近でピークを観測した。この起源を探るべく、磁場強度および印加角度依存性の測定を行い、試料依存性も調べた。その結果、緩和率のピーク構造は、異なる試料でも観測され、磁場方向依存性が無く、磁場強度とともに抑制されることが分かった。
また、ドープされたスピン液体の候補物質として注目されているk-(BEDT-TTF)4Hg2.89Br8の13C NMR研究も開始した。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2021-07-09 - 2024-03-31

【配分額】25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円)

【研究領域課題番号】19K21841 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / サイクロトロン共鳴 / 強磁場 / テラヘルツ光 / トポロジカル半金属 / 磁気共鳴 / トポロジカル物質

【研究成果の概要】

高移動度の金属で量子振動とサイクロトロン共鳴をともに測定できれば、電子相関の効果を評価することができる。しかしそのような金属では光が透過しないため、サイクロトロン共鳴の実験は不可能であった。この点を解決するため、磁気共鳴現象を試料温度の変化として検出する熱検出型サイクロトロン共鳴の装置開発を行った。
量子カスケードレーザーを使ったテラヘルツ光の発振と試料部までの伝達には成功した。またこのテラヘルツ光の検出機として用いたガリウム置換ゲルマニウムが光を吸収する過程で発熱する様子をミリ秒オーダーの温度計測で確認した。現状では光源素子の冷却能力が不足しており、今後装置改良で磁気共鳴の検出を目指す。

【研究の社会的意義】

強相関電子系と呼ばれる物質群は、バンド模型では説明できない様々な物理現象の舞台として大きな注目を集めてきた。その微視的な電子状態を測定する手法として量子振動現象と磁気共鳴がある。本研究では、これまで光が透過しない金属では困難であった磁気共鳴現象を観測するために、試料自体を検出器として使う熱検出型サイクロトロン共鳴の装置開発を行った。本研究ではその基本原理が有効に作用することを示したが、磁気共鳴の観測にはさらなる装置の改良が必要である。今後、この研究で示した方向性が認知されることにより、熱検出型サイクロトロン共鳴が実用化されることを期待する。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究領域課題番号】18K03537 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重い電子系 / 強相関電子系 / メタ磁性 / 強磁場 / 比熱 / 純良単結晶 / 電子状態

【研究成果の概要】

新奇な超伝導状態や非フェルミ液体状態などの特異な物性が発現する、量子臨界点の近傍に位置する非磁性の重い電子系物質では、磁場中でメタ磁性を示す場合があり、その発現メカニズムは、新奇超伝導などの特異物性の発現メカニズムと密接に関係すると考えられている。このメタ磁性メカニズムを解明することは、基礎科学的側面からも新たな超伝導開発といった工学的な側面からも重要である。本研究での大きな成果は、強磁場中の比熱測定によって電子比熱係数の磁場依存性を明らかにし、熱力学的な基本式であるマックスウェル関係式によってよく理解できることを示すことで、メタ磁性メカニズムを明らかにするための基礎的な情報を得たことである。

【研究の社会的意義】

YbNi2Ge2の高純度試料を得ることに成功し、磁場中の比熱測定を通じて電子比熱係数が磁場依存性を持つことを明らかにした。電子比熱係数は、14テスラまで単調増大傾向を示す磁場依存性をもち、電子比熱係数と磁化率の磁場依存性を結ぶマックスウェルの関係式と呼ばれる熱力学的関係式でよく説明ができることが明らかになった。この結果、メタ磁性転移磁場である40テスラ近傍で比熱測定を行うための基礎的情報が得られ、新奇超伝導体のメカニズム解明にもつながると期待される、非磁性の重い電子系におけるメタ磁性メカニズム解明への足掛かりを得た。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】23244072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性 / 量子スピン系 / フラストレーション / 強磁場 / 量子多体効果 / 三角格子反強磁性体 / 籠目格子反強磁性体 / スピンダイマー磁性体 / 物性実験 / 量子磁性 / 強相関電子系 / 強磁場物性 / スピンダイマー系 / 低温物性

【研究成果の概要】

我々はフラストレーションの強いスピン系での顕著な量子効果を調べた。まず，我々はBa3CoSb2O9の磁化過程を測定し，全磁場領域で磁化曲線が理論と一致することより，この物質が理想に近いスピン1/2三角格子反強磁性体であることを示した。続いて，スピン1/2籠目格子反強磁性体Cs2Cu3SnF12の磁気励起を中性子非弾性散乱で測定し，励起エネルギーが通常とは逆に，スピン波理論で求めた値よりも大きく減少する負の量子再規格化現象を発見した。更に，新規ダイマー磁性体Ba2CoSi2O6Cl2を合成し，その強磁場磁化過程を測定することより，磁場中でマグノン結晶ができることを見出した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】47,840千円 (直接経費: 36,800千円、間接経費: 11,040千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】20244053 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 量子相転移 / 磁化測定 / 比熱測定 / メタ磁性転移 / 磁場誘起秩序 / メタ磁性 / 重い電子系物質 / 価数転移 / マルチフェロイクス / 三角格子 / 磁力計 / ダイマー系物質 / 三重項状態 / 強相関系 / 極低温比熱測定 / 強磁場

【研究成果の概要】

量子相転移とは、物質の絶対零度における異なる状態間の相転移である。温度によって引き起こされる古典的な相転移と違い、量子相転移は磁場や圧力、化学組成といった制御変数を変化させることによってのみ実現される。量子相転移は多体系の量子ゆらぎが起源の基底状態の急激な変化であり、新奇な秩序相が現れる期待もあって大変注目されている。本研究課題では種々の磁場誘起の量子相転移現象を実験的に研究した。このために最低温50mK、最高磁場17Tの磁場温度範囲で測定可能な世界最高性能の磁化測定装置を開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】41,860千円 (直接経費: 32,200千円、間接経費: 9,660千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】18540339 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 金属物性 / 磁性 / 低温物性 / 物性実験 / 強磁場 / パルス強磁場 / 磁気抵抗

【研究成果の概要】

磁気抵抗効果からはその物質の電子状態の重要な知見が得られるが、一般に金属磁性体では抵抗とその変化が小さい事からパルス強磁場中での計測は技術的に困難とされ、是迄測定実績は殆ど無かった。本研究ではケルビンダブルブリッジ法という特殊な方法を用いた測定システムの開発を行なった。是に由り非常に高い磁場領域で金属磁性体の抵抗が簡便に精度良く測定出来る様になり、今後この分野の進展に大きく寄与すると期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】3,860千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 360千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17340111 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

放射光X線 / 強磁場 / 強相関電子系 / 価数揺動 / X線磁気円二色性 / パルス強磁場 / 磁場誘起相転移 / 内殻分光 / メタ磁性 / XMCD / X線吸収 / 価数転移 / 近藤半導体

【研究成果の概要】

放射光X線による内殻分光は、元素・軌道選択性をもつ微視的プローブとして物質科学研究に不可欠となっている。一方、磁場は、電子のスピンや軌道運動に直接作用し、電子状態を精密に変化させることができ、特に低温で量子効果が強く効いた現象を調べる上で、極めて有用な場である。従来、強磁場環境では、技術的な制約から電子状態を調べる手段はあまりなかったが、本研究では、パルス強磁場と放射光X線の組み合わせ技術を開発し、X線吸収分光、X線磁気円二色性分光によって、磁場中での電子状態をみる手法を確立した。また、その技術を、電子相関の強い、伝導電子-局在電子相関系に適用し、価数揺動現象の解明を行った。具体的な成果は以下の通りである。
YbInCu_4における磁場誘起価数転移の解明
Yb価数は低温で揺動状態にあり、伝導電子と強く混成している。40テスラ級の強磁場を印加することで、本来のYbの4f電子の局在性がほぼ完全に復活することを、X線吸収スペクトルによる価数の直接的観測から初めて明らかにした。
EuNi_2(Si_<1-x>Ge_x)_2における価数揺動状態の解明
低温の価数揺動状態が磁場により局在的に変化するのはYbInCu_4と同様であるが、完全に局在化せず、40テスラ磁場中でも価数揺動状態にあることをX線吸収スペクトルから明らかにした。また、40テスラ強磁場でのX線磁気円二色性スペクトル測定を世界で初めて実現させ、状態混成に起因した特徴的な円二色性スペクトルを見出した。
以上の成果は、伝導電子-局在電子相関の理解の進展に大きく貢献すると期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】10,190千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 690千円)