【研究領域課題番号】19H00649 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / ネマティシティ / 弾性抵抗 / 量子臨界点 / 上部臨界磁場 / 鉄系超伝導 / ボーズ凝縮 / マルチバンド / 電子構造 / ギャップ構造 / 比熱 / 磁気トルク / 超伝導ギャップ / 磁場侵入長 / ミューオンスピン緩和 / 熱力学測定 / トンネル分光

【研究成果の概要】

電子対形成による超伝導を記述したBardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理論を拡張して、粒子間引力を強くすることで分子化した束縛対のBose-Einstein凝縮(BEC)につながるBCS-BECクロスオーバー理論により、量子束縛状態の統一的理解に向けた枠組みが構築されつつある。本研究では、我々がクロスオーバー領域にあることを見出したFeSe系超伝導体について、熱力学的性質や磁気トルクの精密測定、およびミューオンスピン緩和による磁場侵入長測定により、マルチバンド系でのBCS-BECクロスオーバーの特徴的性質を明らかにすることを目的としている。
2021年度においては、昨年度作製に成功したFe(Se,Te)の純良単結晶試料を用いて、電子相図の詳細を調べ、BCS-BECクロスオーバーの知見が得られているFe(Se,S)との比較を行った。
まず、Te置換量の異なる複数の試料を用いて、弾性抵抗測定によりネマティック感受率の系統的な評価を行った。その結果、S置換系と同様にTe置換系においても置換量とともに電子ネマティック秩序が抑制され、磁性を持たないネマティック量子臨界点の存在が、ネマティック感受率の発散的振る舞いから明らかとなった。S置換系では、量子臨界点をまたぐ際に超伝導転移温度が急激に減少し、BEC的な振る舞いへと変化したが、Te置換系では量子臨界点近傍で超伝導転移温度がドーム構造を示すという大きく異なる振る舞いが観測された。
さらに、パルス強磁場を用いた上部臨界磁場の測定から、Te置換系の量子臨界点近傍では、S置換系よりもはるかに磁場に強い超伝導が実現していることが明らかとなり、超伝導電子対の結合の強さが増強していることが示された。この結果は、量子臨界点近傍で増強された非磁性ネマティック量子揺らぎが、高温超伝導のメカニズムに関連していることを示唆している。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】46,540千円 (直接経費: 35,800千円、間接経費: 10,740千円)

【研究領域課題番号】18H03686 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強誘電金属 / 超伝導 / SrTiO3 / ニューロモルフィック / レザバー / 強誘電体 / 強誘電量子臨界点 / リーク付き積分 / ニューラルネットワーク / 電界効果トランジスタ / 量子臨界点 / アトラクタ / チタン酸ストロンチウム / 近藤効果 / 人工ニューロン / 人工シナプス / 強誘電 / 金属絶縁体転移 / VO2

【研究成果の概要】

SrTiO3のSrをCaやBaで置換して強誘電体にした試料にTi/Nb置換でキャリアドープすると、SrTiO3関連の系では誰も観測したことのない0.75Kという高いTcを得ることができることを昨年度に発見しましたが、今年度はこの背景を探究し論文にまとめて投稿しました。キャリア濃度が小さくて誘電分極の遮蔽を十分に行えないと「強誘電体(空間反転対称性の破れた状態)の金属」になる可能性がありますが、X線による低温での精密な構造解析の実験をPFで行い、金属相でも確かに空間反転対称性が破れていることを明らかにしました。この系では電気抵抗が低温で上昇に転じるのですが、この異常が現れる温度(TK)をキャリア濃度に対してプロットすると、キャリア濃度をゼロにした極限で、TKが強誘電転移のキュリー温度に一致することがわかりました。TK以下の温度領域で反転対称性の破れた金属が出現するのだと仮定すると、TK=0となるキャリア濃度は広義の``量子臨界点''だと考えられます。我々はこの``量子臨界点''近傍で超伝導転移温度が最も増強されると考えていましたが、実はこの点の近傍での増強は小さく、むしろキャリア濃度が小さくなるほど増強が大きくなるという予想外のこともわかりました。このような興味深い物性を示すSrTiO3を用いた電界効果トランジスタ(FET)は、コンデンサなしでミリ秒以上の時定数を持つリーク付き積分動作をすることが昨年度までの研究でわかったので、今年度はこのSrTiO3 FET素子の動作を模倣する半導体集積回路をASICによって作製しました。大きな時定数を半導体回路で実現するというのは非常に困難でしたが、pseudo-resistorというアイデアを導入して克服できました。一方で、大きな電子回路をたったひとつの素子で実現できるというSrTiO3 FETのメリットを強調することにも繋がりました。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2023-03-31

【配分額】43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15H02106 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子臨界点 / 電子ネマティック相 / 反強磁性 / 量子揺らぎ / 高温超伝導 / 圧力効果 / 非フェルミ液体 / 異常金属 / 電子相図 / 化学置換 / 超伝導ギャップ / 有効質量 / 回転対称性 / 低温物性測定 / 超伝導 / 量子相転移 / BCS-BECクロスオーバー / フェルミエネルギー / 強結合超伝導 / 超伝導揺らぎ / 電子ネマティック秩序 / 非従来型超伝導 / 擬ギャップ

【研究成果の概要】

絶対零度における二次相転移である量子臨界点近傍で発達する揺らぎが、超伝導や電子物性にどのような影響を及ぼすかを明らかにするために、鉄系超伝導体FeSeにおけるS置換効果と圧力効果を調べた。その結果、S置換系では、回転対称性の破れた電子ネマティック相が抑制され、非磁性のネマティック量子臨界点を実現した。この近傍では、超伝導転移温度は低いものの、非フェルミ液体的振舞いが観測された。一方、圧力印加では、電子ネマティック相が完全に抑制される前に圧力誘起の反強磁性が出現し、圧力印加とともにドーム構造を示すことが明らかとなった。さらに、高圧側で反強磁性が抑制されるとともに高温超伝導相が実現した。

【研究の社会的意義】

本研究でFeSe超伝導体における化学置換により、非磁性の電子ネマティック量子臨界点が初めて実現し、様々な物質で見られている反強磁性量子臨界点との比較が可能となった。その結果、反強磁性量子臨界点近傍でしばしば観測されている温度に比例する電気抵抗の温度依存性が、ネマティック量子臨界点においても見られることが明らかとなった。また、超伝導転移温度はネマティック量子臨界点によるネマティック揺らぎにより上昇する振る舞いは見られず、むしろ圧力印加により出現した反強磁性の揺らぎがこの系の高温超伝導発現により重要な役割を果たしていると考えられる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】43,160千円 (直接経費: 33,200千円、間接経費: 9,960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25610096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子臨界現象 / 超伝導特性 / 準粒子励起 / 臨界磁場 / 反強磁性 / 渦糸物理 / 有効質量 / 磁場侵入長 / 低温物性測定 / 比熱 / 超伝導 / 上部臨界磁場 / ギャップ構造 / 鉄系超伝導 / 異方的超伝導 / 下部臨界磁場 / 量子ゆらぎ / 量子臨界点

【研究成果の概要】

絶対零度における相転移点である量子臨界点近傍では、金属の標準理論であるフェルミ液体論から逸脱した物性が観測され、しばしば非従来超伝導相が出現する。この超伝導と量子臨界揺らぎとの関連性を明らかにすることが重要な課題の一つである。我々は、鉄系超伝導体の微小純良単結晶試料での精密比熱測定により、量子臨界点近傍の超伝導状態における準粒子励起を調べた。その結果、超伝導転移における比熱の跳びから見積もられる有効質量が絶対零度における磁場侵入長と定量的に一致し発散的に増大すること、および渦糸コアのエネルギーが異常に増大することを見出した。これらは量子臨界性が超伝導相内部にも強い影響を及ぼしている証拠である。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25220710 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重い電子 / 非従来型超伝導 / 量子臨界点 / 界面 / スピン密度波 / 量子スピン液体 / 鉄系超伝導 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 鉄系高温超伝導 / 銅酸化物高温超伝導 / 重い電子系 / 超伝導対称性 / トンネル顕微鏡 / 人工超格子 / 超伝導 / 分子線エピタキシー / 量子臨界 / ２次元 / BCS-BECクロスオーバー / 量子スピン系 / 空間反転対称性の破れ / 空間反転対称性 / 新奇超伝導状態 / 走査型トンネル顕微鏡 / 界面制御

【研究成果の概要】

重い電子系化合物の人工制御、特に重い電子系化合物CeCoIn5、CeRhIn5を含む様々な人工超格子を作製し、量子臨界点の研究や新奇な超伝導状態の研究を行った。特にd波超伝導体CeCoIn5を含むトリコロール超格子により、空間反転対称性の破れを人工的に制御することに成功し。さらにCeCoIn5とスピン密度波化合物CeRhIn5を原子層単位で、積層成長させた人工超格子を作製し、圧力をかけることにより、界面を通して磁気揺らぎを超伝導状態に注入することに成功した。また超高真空中でエピタキシャル成長し清浄表面を持つ、CeCoIn5とCeRhIn5薄膜のトンネル顕微鏡による分光にも成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】244,270千円 (直接経費: 187,900千円、間接経費: 56,370千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】20224008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関系 / 重い電子 / 異方的超伝導 / 人工超格子 / 分子線エピタキシー / 量子臨界点 / 非フェルミ流体 / 重い電子系 / 強結合超伝導 / 隠れた秩序 / 磁気トルク / 鉄系超伝導体 / ネマティック状態 / 新奇超伝導 / 下部臨界磁場 / 反強磁性揺らぎ / 超伝導 / 有効質量 / MBE / 量子振動

【研究成果の概要】

本研究においては分子線エピタキシー法によりf電子からなる重い電子を2次元に閉じ込めることに成功した。そしてCeIn3/LaIn3超格子において量子臨界性の次元制御に初めて成功しただけでなくCeCoIn5/YbCoIn5超格子において2次元の重い電子を超伝導にすることにも成功した。2次元に閉じこめた重い電子の超伝導は極めて特異なものであることを発見した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2008 - 2012

【配分額】214,760千円 (直接経費: 165,200千円、間接経費: 49,560千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17204031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 対称性 / 重い電子系化合物 / 隠れた秩序 / 渦糸格子 / 準粒子 / 量子臨界点 / 強相関電子系 / パイロクロア / フェルミ流体 / マイクロ波 / 人工超格子 / 超伝導対称性 / 重い電子系 / 熱伝導 / 異方的超伝導 / ホール係数 / FFLO / 磁気抵抗

【研究成果の概要】

本年度はまず熱伝導による超伝導対称性の実験を行った。特に重い電子系化合物URu2Si2の超伝導対称性を希釈冷凍機温度までの低温で磁場中熱伝導度の測定により決定した。この系はいわゆる隠れた秩序相で超伝導が起こるが超伝導相はあまり研究されていなかった。我々はこの超伝導相が極めて特異なものでありカイラルd波の対称性を持つことを示した。さらに微小ホールプローブを用いた局所磁場測定や電気抵抗の精密測定により、この物質においては渦糸格子が融解することを示した。1K以下で渦糸格子が融解する現象はこれが初めてである。さらに渦糸格子状態で準粒子がブロッホ状態を形成することも発見した。また重い電子系超伝導体の人工超格子の作製を分子ビームエピタキシーにより行い、これまでにCeIn3とLaIn3を薄膜にエピタキシャル成長させることに成功している。またCeCoIn5の超伝導薄膜の作製にも成功しておりCe系のエピタキシャル薄膜は世界で初めての例である。さらに高温超伝導体T1:2201に対し超強磁場中での輸送現象の測定を行った。その結果上部臨界磁場を境に非フェルミ流体的挙動からフェルミ流体的挙動に移り変わる磁場に誘起された量子臨界点が存在することを発見した。重い電子系超伝導体においても類似した振る舞いが観測されており強相関電子系における普遍的な現象である可能性がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円)