【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】18H01181 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

鉄系超伝導体 / 強相関電子系 / 核磁気共鳴 / 高圧下測定 / 量子相転移 / 量子臨界現象 / 高温超伝導 / 鉄系超伝導

【研究成果の概要】

FeSeは、ネマチック秩序、超伝導、および磁性が圧力・温度(P-T)相図で互いに絡み合っている特異な系である。しかし、12％S-置換したFeSeでは、ネマチック秩序と磁性の重なりが解消されている。そこで、本研究では 約5 GPaまでの圧力下でSe核の磁気共鳴測定を実行した。その結果、約1万気圧において圧力誘起リフシッツ転移が、状態密度の異常として、また異なる反強磁性（AF）揺らぎを伴う超伝導（SC）ダブルドームとして、観察できた。 高い超伝導転移点(Tc)をもつ高圧側ドームでは、従来の予想に反して、AF揺らぎが弱く、dxy軌道とその軌道内結合が高いTcに重要な役割を果たすことが分かった。

【研究の社会的意義】

鉄セレン系超伝導体は、高い超伝導転移点(Tc)をもつ鉄系超伝導体の一つであるが、Tcの起源は解明されたとは言えない。一つには、超伝導、結晶対称性の破れたネマティック秩序、磁性が複雑に関係しているためである。高いTcが４万気圧以上で実現することも問題を難しくしている。本研究では、高圧下でミクロな電子状態を調べるために、キュービックアンビル圧力セルを用いた核磁気共鳴法を開発した。この結果、ネマティック秩序と磁気揺らぎに相関があること、高いTcはネマティック秩序が消滅し、極めて弱い磁気揺らぎ下で実現することが分かった。これは、高温超伝導機構が複数の要因で決まることを示し、起源の多様性を示唆している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17H01140 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子スピン液体 / Kitaev模型 / 量子磁性 / Ir酸化物 / 強相関電子系 / キタエフ模型 / ハニカム構造 / キタエフ系 / イリジウム酸化物 / エキシトニック磁性 / 中性子回折 / 核磁気共鳴

【研究成果の概要】

新奇量子スピン液体の実現は凝縮系物理の最も挑戦的な課題の一つである。特にKitaevが理論的に見出したハニカム格子上の量子スピン液体は、遍歴・局在二種類のマヨラナ粒子からなる厳密解として得られたために、多くの研究者の興味を惹き、現実物質での発現が強く望まれてきた。Kitaev量子スピン液体が期待されるハニカム格子酸化物H3LiIr2O6において相互作用するスピン軌道複合Jeff=1/2モーメントが極低温まで磁気秩序、すなわち自発的対称性の破れを示さないことを発見し、量子スピン液体が実現していると結論した。

【研究の社会的意義】

Kitaevの理論模型に触発された量子スピン液体状態の実験的探索は世界的規模で研究が進んでいる。その舞台として当初提案された他のIr酸化物やRu塩化物では、いずれも量子スピン液体ではなく長距離磁気秩序の発現が観測されている。現実の物質での実現は不可能であるとも言われた。そのような状況の中でH3LiIr2O6に実験的に量子スピン液体の存在が確認されたことの意義は極めて大きい。さらに、この発見が液体状態発現の微視的起源、特にKitaev相互作用の役割や水素の役割など、新たな極めて挑戦的課題を投げかけていることも強調されるべきである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】44,980千円 (直接経費: 34,600千円、間接経費: 10,380千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15K13523 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超高圧技術 / 核磁気共鳴 / スピン液体 / 重い電子系 / Ir化合物 / Yb化合物 / 高圧技術 / キタエフ系 / 強相関電子系 / 超高圧 / 新物質開発 / 量子臨界現象

【研究成果の概要】

研究代表者らが発見した新構造物質とその他の新物質系の超高圧物性探索を目的とした。新物質YbCo2Ge4では、超高圧磁気相図の作成により1GPa付近での低い圧力での量子臨界点の存在を明らかにした。次に、本課題開始時に世界的に盛んに研究され始めたキタエフ量子スピン液体に注力した。まず、常圧・無磁場下でキタエフ系初のスピン液体実証として2次元蜂の巣格子H3LiIr2O6の50mKまで常磁性が保たれたスピン液体性と特徴的な線形分散フェルミ励起を報告した。その後、類似の三次元ネットワークの ハイパーハニカム型新物質β-Li2IrO3において超高圧下で磁性相とスピン一重項二量体形成の競合を明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15H06093 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

励起子絶縁体 / 遷移金属カルコゲナイド / コバルト酸化物 / 励起子相 / 磁化率 / 光学伝導度 / 集団励起 / 物性理論 / 励起子 / 強相関電子系 / 計算物理 / 層状遷移金属カルコゲナイド / 超音波吸収 / 核磁気共鳴 / 量子干渉 / 反磁性

【研究成果の概要】

励起子絶縁体とは、半導体または半金属において、励起子が自発的に形成され量子凝縮を起こした系である。励起子絶縁体の候補物質である遷移金属カルコゲナイドTa2NiSe5に注目して、超音波吸収係数と核磁気共鳴緩和率に現れる量子干渉効果、反磁性磁化率、光学伝導度の振る舞いについて励起子凝縮の観点から明らかにした。また、コバルト酸化物Pr0.5Ca0.5CoO3の励起子相において磁気多極子秩序が形成されることを示し、そのときの低エネルギー励起構造を明らかにした。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2015-08-28 - 2017-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26707018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 超高圧 / 核磁気共鳴 / 重い電子系 / 量子スピン液体 / 低温物性 / 物性実験 / 量子臨界物性 / 新物質

【研究成果の概要】

核磁気共鳴（NMR）実験としては未到達の多重極限環境の構築を行い、種々の強相関電子系物質の超高圧下量子相転移の研究を行うこと、新奇量子物性の開拓を目的として研究を開始した。計画通り超高圧・極低温・２軸回転磁場制御環境下における核磁気共鳴測定を実現した他、本課題の技術は幅広い共同研究者により重い電子系等の研究に用いられている。特筆すべき成果として、キタエフ量子スピン液体の初めての実現が期待されるイリジウム酸化物において、２つの量子スピン液体を核磁気共鳴実験により発見した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】24,050千円 (直接経費: 18,500千円、間接経費: 5,550千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】24740219 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

核磁気共鳴 / 高圧研究 / 超高圧NMR / 鉄系高温超伝導 / 装置開発 / 高圧実験 / 超高圧 / 強相関電子系

【研究成果の概要】

低温物性分野では3万気圧以上の超高圧下で磁性および超伝導の内部状態を探る手段がほぼ皆無であった。そこで本計画では、超高圧技術の改良(高圧化、簡単化)を行うこと、強相関電子系化合物等に対し先端の超高圧核磁気共鳴（NMR）実験を行うことを目指した。超高圧技術の改良の、「誰でも使える小型圧力装置」の実現に関しては大きな進展があり、13万気圧超まで安定して多数の電気配線と光ファイバーを非常に歩留まり良く導入する配線方法を開発することができた。その結果、電気抵抗測定・ac帯磁率測定などにも非常に有効な装置を開発した。また、3He循環冷凍機と小型化圧力セルにより、極低温超高圧NMR測定を可能にした。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【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】21340093 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

核磁気共鳴 / 高圧技術 / 強相関電子系 / 量子スピン系 / 量子相転移

【研究成果の概要】

高い容積効率を持ち、10GPaを超える圧力を発生できる、核磁気共鳴用の対抗アンビル型圧力セルを開発した。この圧力セルは①低温で液化封入したアルゴンを圧力媒体として用いることにより、均一な圧力が得られる、②アンビル内に光ファイバーを導入し、試料室におかれたルビーの蛍光波長を観測することにより、圧力を実験中に校正することができる、③セル全体を超伝導マグネット内で回転することにより、磁場中で試料の方位を任意に制御することが可能、といった利点を持つ。この圧力セルを利用して、鉄系超伝導体SrFe2As2における反強磁性と超伝導状態の共存など、新しい秩序状態を発見した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009-04-01 - 2013-03-31

【配分額】18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17340107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高温超伝導 / 高圧測定 / 核磁気共鳴 / 強相関電子系 / 高圧 / NMR / 酸化物 / 超伝導 / 金属絶縁体転移 / 梯子格子物質 / 圧力誘起超伝導

【研究成果の概要】

ピストンシリンダー型圧力セルにおいて4万気圧まで至達することに成功した。このセルを用いて圧力下で最適条件となる鉄砒素系高温超伝導体LaFeAsO_<1-x>F_xや、梯子格子銅酸化物Sr_2Ca_<12>Cu_<24>O_<41>のNMR測定を行い、超伝導転移点T_Cが高圧下で上昇する機構を解明した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】16,200千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】13852004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン三重項超伝導 / ルテニウム酸化物 / Sr_2RuO_4 / 奇パリティー / 核磁気共鳴 / 時間反転対称性 / 強相関電子系 / 超伝導ギャップ / Sr2RuO4 / コバルト酸化物 / アンドレエフ効果 / 磁化 / 走査型顕微鏡 / カイラル超伝導状態 / ナイトシフト / 銀酸化物超伝導 / モット絶縁体 / モット転移

【研究成果の概要】

本研究では、スピン三重項の電子対からなる超伝導状態が現実に存在することを、多角的かつ緻密な研究成果の集積によって確定的にし、広い認知を得た。超伝導体Sr_2RuO_4を軸にした集中的な研究から、現代の超伝導研究の鍵となる基本概念に関しても、多くの新たな知見を獲得することが出来た。
(1)全てのバンドの超伝導ギャップ構造の確定:精確に方位制御した磁場中での低温比熱測定から、超伝導ギャップがフェルミ面(バンド)ごとに大きさ・異方性が異なることを明らかにした。その物理的要因についても、スピン三重項p波の対称性と一部のバンドの磁気揺らぎで理解出来た。
(2)三重項スピン状態の決定:核磁気共鳴(NMR)による電子スピン磁化率の測定から、電子対スピンはゼロ磁場ではRuO_2面内にあること、また印加磁場に応じて方向を変えることから、スピン異方性を生む相互作用が非常に弱いことも明らかになった。
(3)奇パリティーの検証:Sr_2RuO_4と従来型s波超伝導体のAuInとの接合ループの臨界電流測定から、「π接合SQUID(超伝導量子干渉素子)」と呼ばれる半整数磁束の発生を観測し、Sr_2RuO_4の超伝導波動関数が奇パリティーをもつことを直接的に検証した。
これらから時間反転対称性を破るカイラル三重項超伝導状態であることを確定できた。また、超伝導内部自由度に基づく新奇現象として、磁場中での超伝導多相現象も観測した。
(4)強相関電子系の超伝導メカニズムの理論構築:3次以上の摂動計算により、クーロン斥力(強相関効果)による超伝導メカニズム理論の構築に成功した。この理論で、Sr_2RuO_4については実験に準拠した3バンドの電子構造をふまえて、スピン三重項p波状態が安定であることを示した。
また銀鉛酸化物の新超伝導体の発見、Ca_<2-x>Sr_xRuO_4におけるモット転移と軌道秩序、Sr_3Ru_2O_7のメタ磁性量子臨界現象など、関連物質系での研究成果も数多く挙げた。国際シンポジウム「スピン三重項超伝導とルテニウム酸化物の物理」を主催し、海外8カ国からの23名を含む約100名の、当該分野で活躍中の研究者をほぼ一堂に集めて、成果発表と今後の研究展開についての集中的な議論をおこなった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2001 - 2005

【配分額】118,950千円 (直接経費: 91,500千円、間接経費: 27,450千円)