【研究領域課題番号】19K14647 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / スピン軌道相互作用 / 金属絶縁体転移 / 磁気輸送現象 / 磁性 / トポロジカル電子状態 / 量子相転移 / トポロジカル物性

【研究成果の概要】

本研究課題では、スピン軌道相互作用の大きい4d・5d電子系酸化物に着目し、強相関トポロジカル量子物性の開拓と機能制御を行った。パイロクロア型イリジウム酸化物においては、磁性ワイル半金属の実現可能性が理論的に議論されていた。近年では、磁気構造によって様々なトポロジカル電子相が現れることが知られていたが、電子相関の比較的小さい領域に限定されていた。本研究課題では、電子占有率を変化させることで、相関の強い領域でも、トポロジカルに非自明なバンド構造を持つ常磁性金属相が現れることを見出した。さらに、希土類磁気モーメントによってバンドのトポロジーを反映した特徴的な磁気輸送特性が発現することを突き止めた。

【研究の社会的意義】

本研究課題で達成したのは、新しいトポロジカル電子相の発見と磁気輸送特性の評価である。トポロジカル電子状態とその機能の開拓は、非散逸流に代表されるように、基礎科学的にも応用の観点からも喫緊の課題である。研究代表者は、電子相関が本質的な役割を果たす酸化物において、化学圧力や外部磁場によって物理パラメータを精密に制御することで、金属絶縁体転移が生じることを突き止めた。さらに、相転移近傍において、ベリー曲率に起因した巨大なホール効果が生じることを見出した。以上の結果は、電子バンドのトポロジカルな性質が、外場で制御できる可能性を示唆しており、従来のトポロジカル物性とは一線を画す結果となった。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2021-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】デバイス関連化学

【研究領域課題番号】25708039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電気二重層トランジスタ / モットトランジスタ / イオン液体 / 強相関電子系 / 遷移金属酸化物 / 金属絶縁体転移 / 電界効果トランジスタ / モット絶縁体 / 単結晶薄膜 / 酸化物半導体

【研究成果の概要】

イオン液体ゲートを用いた電気二重層トランジスタを強相関電子系 SrVO3 の極薄膜に組み合わせ、金属絶縁体転移の制御を行った。 SrVO3 はバルク単結晶では良好な金属だが、10 原子層厚さ以下の極薄膜にすることで次元性が減少し、バンド幅減少による金属絶縁体転移を起こした。この状態は電子相関により絶縁体となるモット絶縁体だと考えられる。われわれはSrVO3 極薄膜でゲート印加とともに絶縁体から金属への転移がおきること、また逆に、金属相のSrVO3にゲート印加により完全な絶縁体への転移が起きることを見出した。この結果から、厚さとキャリア濃度を軸とした二次元モット絶縁体の新たな相図を提唱した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】26,390千円 (直接経費: 20,300千円、間接経費: 6,090千円)

【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】無機化学

【研究領域課題番号】17105002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体化学 / 遷移金属酸化物 / 高原子価 / 強相関系 / 高温超伝導体 / 高圧合成 / 光電子分光 / メスバウア効果 / 強相関電子系 / 環境材料 / 合成化学 / 磁性 / 誘電体物性 / 超電導材料・素子 / 物性実験 / 物性理論 / 青色発光 / 微細加工 / 高温超伝導 / 金属-絶縁体転移 / フラストレーション / 磁気抵抗効

【研究成果の概要】

入手しやすく、比較的安全な3d遷移金属の酸化物は学術的にも実用的にも価値が高い。本研究では、以下の観点に基づきさらなる新規開発を試みた。Fe^<4+>やCo^<4+>、Cu^<3+>のように周期律後半にあって価数の高いイオンは深いd準位をもち、周囲にいる酸素イオンを酸化して活性化する。新発見したBaFe^<4+>O_3は、無数の鉄酸化物の中で初めて常圧下で強磁性を示した。活性化された酸素イオンが鉄磁気モーメントを、通常とは異なって平行に整列させるためである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2005 - 2009

【配分額】106,210千円 (直接経費: 81,700千円、間接経費: 24,510千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16684010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 物性実験 / スピネレクトロニクス / 強相関エレクトロニクス / 光物性 / 光電子分光法 / 逆光電子分光法 / 電子状態 / 占有状態 / 非占有状態 / 光誘起相転移 / 金属絶縁体転移

【研究成果の概要】

金属絶縁体転移を示す欠損ペロブスカイトRBaCo_2O_<6-δ>(R=Tb, Nd;δ=0.5, 1.0)、低温で重い電子的挙動を示すペロブスカイトCaCu_3Ru_4O_<12>、特異なスピン軌道秩序を示すスピネルAV_2O_4(A=Li, Zn, Cd)の電子状態を表面敏感な真空紫外線光電子分光およびパルク敏感なX線光電子分光によって研究した。特に、RBaCo_2O_<6-δ>では金属絶縁体転移に伴うe_gバンドの形状変化が観測された。CaCu_3Ru_4O_<12>では、Cuは2価であり局在したCu 3d電子が重い電子的挙動に重要であることを明らかにした。さらに、ワイドギャップ希薄磁性半導体Ti_<1-Σ>Co_xO_2、光誘起金属絶縁体転移を示すペロブスカイトPr_<0.55>(Ca_<1-y>Sr_y)_<0.45>MnO_3とスピネルCuIr_2S_4についても、光照射下においてバルク敏感なX線光電子分光と表面敏感な真空紫外線光電子分光を行い、光誘起の電子状態変化を観測した。バルク敏感な紫外線光電子分光については、Nd : YAGレーザーの第5高調波は大気による吸収を受けないエネルギー領域にあり、かつ、仕事関数を超えて光電子を放出させるのに十分なエネルギーを持つことに注目し、Nd : YAGレーザーの第5高調波によるバルク敏感な紫外線光電子分光装置を完成させて測定を行った。紫外線によるバルク敏感なエネルギー領域での逆光電子分光については、銅酸化物高温超伝導体の測定を行い、非占有状態を観測した。真空紫外線による表面敏感なエネルギー領域での逆光電子分光については、真空紫外線の検出が不十分であり有効なデータを得ることはできなかったが、電子源や光子検出について技術開発を行い、今後の発展の基礎となる成果が得られた。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】28,600千円 (直接経費: 22,000千円、間接経費: 6,600千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16540313 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / フラストレーション / スピン液体 / カゴメ格子 / パイロクロア格子 / 金属絶縁体転移 / スピン軌道モデル / マグノン結晶 / 量子スピン / 三角格子 / 軌道秩序 / 磁気秩序

【研究成果の概要】

バナジウムスピネル酸化物AV_2O_4(A=Zn,Mg,Cd)における構造転移と磁気転移の機構を研究した。磁性をもっバナジウムイオンはパイロクロア副格子を形成しており、その格子上のスピン系は絶対零度まで長距離磁気秩序を示さないと考えられている。我々は、バナジウムイオンのd電子のスピンに加えて軌道自由度を考慮して低エネルギー有効模型を構築し、その平均場解析およびモンテカルロシミュレーションにより相図を決定した。その結果、構造転移が軌道秩序に対応し、それが引き起こす磁気相互作用の異方性により低温で磁気秩序の発現が可能になることを明らかにした。
カゴメ格子上の遍歴電子系の電子状態と磁性を調べた。単一バンドハバード模型で電子密度がhalf fillingの場合を考察し、動的平均場近似によって電子グリーン関数および動的磁気相関関数を計算した。その結果、電子が局在して絶縁体になるモット転移はフラストレーションの無い場合に比べて遙かに大きな電子間斥力が必要で、金属相が安定であることを示した。さらに、転移点近傍の絶縁体領域においては1次元的なスピン揺らぎが発達することを発見し、電荷揺らぎに伴う多スピン過程がこの特異なスピン相関を強めている可能性を指摘した。
飽和磁場近傍のフラストレートした量子スピン系に関しても研究を行った。これらの格子に特徴的な有限領域に局在したマグノンを双対格子上の格子ガスとして取り扱う模型を提唱し、厳密解の構成およびモンテカルロシミュレーションを行い、低温かつ飽和磁場近傍のほぼ厳密な相図および臨界指数の決定を行った。磁場の低下に伴うマグノン結晶状態への相転移の存在を示し、異なる格子における普遍クラスの違いを示すと共に、いくつかの格子における結晶状態の1次元的なスライディングの特徴を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】09640417 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン液体 / スピンギャップ / 反強磁性相関 / 近藤格子 / 量子相転移 / 梯子格子 / コヒーレンス / 密度行列繰り込み群 / 強相関電子系 / 動的臨界指数 / 金属・絶縁体転移

【研究成果の概要】

スピン液体状態と反強磁性秩序相の間の磁気的量子相転移点の近傍で、磁気的な異常と同時に電荷のダイナミックスがどのような影響を受けるかという問題を調べた。このために、この磁気的量子相転移に関係した3つの微視的モデルについて数値計算を行った。2本脚梯子系、1次元近藤格子系、電子対ホッピングを含む2次元のt-J模型である。
まず、スピンギャップをもつ金属状態に対しては、梯子系の有限温度における光学伝導度を厳密対角化法で計算した。スピンギャップよりも高い温度における2次元系と似たインコヒーレントな振る舞いが、スピンギャップ以下の温度になるとダイナミックスがコヒーレントになっていることを示した。
さらに2次元t-J模型のホールのダイナミックスをドルーデ・ウェイトの計算によって調べた。反強磁性的相関が強い時には金属・絶縁体転移の動的臨界指数がz=4とインコヒーレントな振る舞いを示すが、電子対ホッピングを加えていくと、動的臨界指数がz=2と変化してコヒーレンスが回復することを見出した。
1次元近藤格子ではスピン液体状態のhalf fillingからホールをドープすることによっておこる、常磁性状態の転移を調べた。ホール濃度および温度を変化させた時の熱力学量と局所動的相関関数を有限温度密度行列繰り込み群の方法を用いて調べた。その結果、ホールをドーブした時にもスピンギャップがクロスオーバーのエネルギースケールとして生き残ると同時に、低エネルギーにラッティンジャー液体の新しいエネルギースケールが現れることが見い出された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】3,000千円 (直接経費: 3,000千円)