Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

カーボンナノチューブ / 水 / アイスナノチューブ / 計算機実験 / NMR / 相転移 / メタン / 吸着 / 交換転移 / 低次元系

単層カーボンナノチューブ(CNT)の、分子数個分程度の小さな直径をもった空洞内部に、水や炭素のかご状フラーレン分子などを挿入して、その性質を調べた。水分子ではアイスナノチューブと呼ばれる特異な氷が形成され、その形成温度がCNT直径に対してどのように変化するかが明らかになった。また、CNT内部の水分子が雰囲気ガス分子と交換する交換転移が発見された。さらに、CNT内部におけるフラーレン分子の大振幅回転運動の存在や特異な水の誘電特性が明らかになった。

量子液体 / 強相関 / 低次元系 / フェルミ液体 / 核磁気共鳴 / フラストレーション / 超流動 / 核磁性 / 比熱

グラファイト表面を^4Heで単原子層プレコートした上に物理吸着した単原子層^3Heの比熱と帯磁率を広い面密度および温度範囲で測定し、2次元面フェルミオン系の強相関効果を調べた。その結果、面密度によってこれまで知られていなかった新奇な量子流体相を含む4つの異なる状態が実現し、この系が多彩な量子相図をもつことが判明した。
低密度域(領域I)では準粒子有効質量が裸の質量の10倍程度まで増強し、低温の性質はフェルミ流体論でよく記述できる。しかし、下地に整合な4/7相の密度(6.9nm^<-2>)が近づくと比熱や帯磁率の振る舞いはフェルミ流体論から逸脱し、スピンと運動の自由度が分離したかのような新奇な量子状態が出現することが分かった(領域II)。領域IからIIへの移り変わりは連続的で対称性の変化はない。本研究では、この領域IIを4/7相(モット相)に零点空格子点(ホール)がドープされた新しい量子流体相と捉える独創的な提案をした。面密度をさらに増すと比熱も帯磁率も大きな密度変化を見せない領域(III)がしばらく続き、8.3nm^<-2>以上で強磁性相との2相共存領域(IV)が現れる。領域IIIもIIとは性質の異なる新たな量子相である可能性が高い。その流動性が上層にpromoteした流体相からの寄与なのか過剰粒子がドープされた4/7相の性質なのかを解明することは今後の重要課題である。
4/7相の磁気基底状態についてギャップレス量子スピン液体という我々のかねてよりの主張を裏付ける結果が得られただけでなく、以上の全ての密度領域において0.07mKまでの低温でスピンギャップの存在を示すような比熱や帯磁率の減少は観測されなかった。これは、最近の3角格子上ハバードモデルによる経路積分繰り込み群の計算の結果と一致しており、フラストレーションのある強相関フェルミオン系の一般的性質と考えられる。

量子スピン系 / 核磁気共鳴 / キャリアドーピング / スピンギャップ / 低次元系 / 梯子格子 / 近藤絶縁体 / ホールドープ / 電荷ゆらぎ / 電荷凍結 / 近藤半導体 / スピン拡散 / 高温超伝導

銅酸化物における高温超伝導が1986年に発見されて以来、いわゆるモット絶縁体であるところの低次元量子スピン系にキャリアを導入して伝導体さらには超伝導体を見出そうとする努力が広範になされている。その中で、本研究では核磁気共鳴を主な手段として微視的な視点から様々な低次元量子スピン系のダイナミクスを解明し、スピン系の次元性や幾何学的な構造の特徴と関連付けることを第1の目的とし、さらに元素置換によって不純物またはキャリアを導入したことによって磁気ダイナミクスにどのような変化が現れるかを理解することを第2の目的とした。前者については、梯子格子上の擬1次元スピン系、2次元の直交ダイマースピン系を中心に、励起ギャップを持つスピン系の磁気励起が示す多様な振る舞いが明らかになった。後者については、ホールをドープした梯子格子において、キャリアと磁気励起の相互作用によってキャリアの対形成が生じ、熱的に乖離したキャリアが磁気励起のダンピングを引き起こす様子が示された。更に擬1次元においては秩序化に伴う電荷の遅い揺らぎが一般的に観測されることが示された。一方、磁気励起にギャップがあるもう1つの例である近藤絶縁体において、不純物の付近に局在モーメントが現れる事が検証され、量子スピン系との興味深い類似性が見出された。研究の進展につれ、スピンと電荷の自由度だけでなく、格子変形の自由度も絡んだ現象へと興味が拡大した。その例としてTlCuCl_3おける格子変形を伴った一次の磁場誘起相転移の発見、また金属的なパイロクロア化合物Cd_2Re_2O_7における構造相転移と電子系の性質の密接な関連があげられる。これらについては現在も研究が進行中である。

【研究分担者】
松田和之	首都大学東京	大学院・理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)
門脇広明	首都大学東京	大学院・理工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
片浦弘道	産業技術総合研究所	グループ長	(Kakenデータベース)
丸山茂夫	東京大学	大学院・工学研究科	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
神原浩	東京大学	大学院・理学系研究科	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
上田寛 (上田〓	上田實)	東京大学	物性研究所	教授	(Kakenデータベース)
藤原直樹	東京大学	物性研究所	助手	(Kakenデータベース)
樹神克明	東京大学	物性研究所	助手	(Kakenデータベース)
高木英典	東京大学	新領域創成科学研究科	教授	(Kakenデータベース)