【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】24340075 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子スピン系 / 強相関電子系 / 量子相転移 / 超伝導 / 磁化測定 / 極低温 / 磁性 / 強相関系 / 分子性固体

【研究成果の概要】

低次元量子スピン物質や強相関物質などの純良単結晶試料は、微小な結晶としてしか得られないことが多い。本研究課題では、研究代表者がこれまで開発してきた極低温磁化測定装置を、微小結晶試料の測定に対応できるように従来比で100倍高感度化した。この装置による主要な成果は、（１）スピン1/2の一次元ハイゼンベルグ反強磁性体CuPzN単結晶の低温磁化の磁場温度依存性が厳密解と高い精度で一致することを検証、（２）スピン三重項超伝導の期待の高いSr2RuO4の低温におけるc面内方向の超伝導-常伝導転移が磁化に不連続な飛びを伴う一次転移となることを確認し超伝導対称性を特定する上で重要な知見を得た、等である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【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】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】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】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】11694074 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子相転移 / 強相関電子系 / 磁性 / スピンギャップ / ランダムスピン系 / 近藤格子 / 異方的超伝導 / 非磁性不純物

【研究成果の概要】

平成11年度及び12年度に行なった研究を以下に列挙する。
(1)Shastry-Sutherlandスピン模型の厳密な基底状態と励起スペクトルを解析し、磁化曲線にあらわれるプラトーの存在を明らかにした。さらに、このスピン模型において可能ないろいろな相の間の量子相転移を研究した。これらの理論解析結果は、二次元のスピンギャップ系SrCU_2(BO_3)_2に応用できる。
(2)2次元のプラケットRVB系における量子相転移が不純物効果によって消滅することがあることを、stochastic series展開の手法により明らかにした。
(3)ダイマー状態や、プラケットRVB状態、混合スピン構造などをもったスピン系における量子相転移を研究した。valence-bond solid状態と種々の磁気秩序状態の間の量子相転移の起こる条件をいろいろな場合に対して調べた。
(4)スピンと軌道の自由度についてSU(4)対称性をもった一次元のKugel-Khomskii模型を、数値的及び対称性の観点から解析的に研究した。さらに、CaをドープしたSr_2RuO_4における多軌道効果を、軌道に依存したMott転移で重要となるスピンと軌道の自由度に着目して解析した。
(5)幾何学的にフラストレートしたパイロクロア格子上の量子スピン系を、スピン1/2とスピン1の場合に研究した。ヤーンテラー的な格子歪み転移も含めて、大きな残留エントロピーを解放するために生じる量子相転移について考察した。
(6)伝導キャリアをドープした近藤格子模型のLuttinger流体としての特性を調べ、低エネルギーに特徴的なエネルギースケールが生じることを明らかにした。
(7)スピン三重項超伝導体Sr_2RuO_4に対して、磁気相関と異方的超伝導秩序との間の関係を考察した。
(8)非対角な乱れをもつ量子細線あるいは梯子模型について、低エネルギーでの状態密度とアンダーソン局在効果を調べた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【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)