【研究領域課題番号】21K03439 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

擬ギャップ / 高温超伝導 / 核磁気共鳴 / 超伝導

【研究成果の概要】

銅酸化物高温超伝導体はその発見以来、母物質である反強磁性モット絶縁体にキャリアを注入することにより超伝導が発現すると考えられてきた。しかし、近年Nd2CuO4構造いわゆるT’構造をもつ電子ドープ型高温超伝導体において、過剰酸素を取除くことにより、電子をドープしなくても超伝導が発現する可能性が示された。しかし、一方で実験的に示されてきたこのノンドープ超伝導は、実は酸素がCuO2面から取り除かれ電子ドープが起こっており、その超伝導は従来通りのドープされたモット絶縁体としての高温超伝導であるとも、最近の研究では指摘されている。また、これまでにT'型の銅酸化物高温超伝導体においても擬ギャップ現象が本質的に存在することが明らかになってきており、この擬ギャップの起源を探ることが本研究課題の重要な目標である。さらに、擬ギャップ現象と関連して強相関電子系における量子臨界現象と磁性について研究することも重要であり、本年度は周辺物質に関しても研究を行なった。
銅酸化物に関しては、T’-LE(S,C)COに注目し、系統的に63,65Cu核、139La核のNMR測定を行ない、超伝導対称性および反強磁性ゆらぎの有無・強さを明らかにした。また、重い電子系超伝導体Ce3PtIn11の二段磁気転移におけるq構造をtransferred hyperfine fieldを用いることにより、明らかにした。さらに、単体金属であるalpha-Mnの圧力誘起磁気秩序相における磁気構造についてゼロ磁場NMRの周波数の圧力依存から論じ、フェリ磁性的なモデルが他の実験結果と矛盾しないことを示した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15H03696 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導密度汎関数理論 / 第一原理計算 / 高温超伝導 / トポロジカル超伝導 / 物性理論 / 超伝導 / 高圧下水素化合物 / 高圧下硫化水素

【研究成果の概要】

超伝導密度汎関数理論に関わる以下の方法論開発を行った。(1)k-meshのサイズについて収束のよい電子格子相互作用の計算法。(2)スピン軌道相互作用を考慮した電子格子相互作用の評価法。(3)奇パリティの超伝導の不安定性の評価法。これらを使ってBiS2系超伝導体、トポロジカル結晶絶縁体SnTeにInをドープした場合およびトポロジカル超伝導体Bi2Se3にCuをドープした場合の超伝導の解析を行った。また、高圧下の硫化水素の超伝導を解析するため、ゼロ点振動、フォノンの非調和性、遅延効果、バーテックス補正を考慮したMigdal-Eliashberg理論に基づく第一原理計算法の開発と応用も行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)

【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】機能材料・デバイス

【研究領域課題番号】23750214 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電気 / 磁気デバイス / 超伝導薄膜 / 超伝導 / 臨界電流 / 高温超伝導 / 鉄系超伝導体 / 薄膜 / 傾角粒界接合 / 薄膜線材

【研究成果の概要】

研究代表者が鉄系超伝導体用に独自に開発したパルスレーザー堆積法(PLD法)を用いることによって、MgOと(La,Sr)(Al,Ta)O_3の[001]-tiltバイクリスタル基板上(傾角θ_GB=3～45度)に、高品質Co添加BaFe_2As_2薄膜を作製した。そして粒界特性を明らかにするため、傾角粒界を介する部分にブリッジ構造を作製し、電流-電圧特性からその傾角粒界におけるJcを測定した。その結果、J_cは9度の粒界傾角まで1MA/cm^2以上の高い値を保持することが明らかとなった。以上の結果により、鉄系超伝導体は、面内配向度が9度以下の金属基板を使えば、高いJ_cを示す薄膜線材が実現可能であるという設計指針を提示することができた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【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】電力工学・電気機器工学

【研究領域課題番号】09450116 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 交流応用 / より線ケーブル導体 / 高温超伝導 / 過渡安定性 / 超伝導限流器 / 超伝導リニア誘導機 / 有限要素法解析 / 撚線ケーブル導体 / 常伝導伝播特性 / 超伝導リニア誘導器 / 超電導 / 常電導伝播特性 / 超電導限流器 / 超電導リニア誘導機

【研究成果の概要】

1.交流用超伝導撚線導体の過渡安定性評価:3本撚線導体を対象とし、通電電流と最小クエンチエネルギーの関係曲線を過渡安定性の評価曲線として実験と数値解析に基づく検討を行った。主に母材中に銅を複合させたときの効果と、銅配置の影響について定量的な評価を行った。その結果、銅により常電導転移に伴う素線間電流再配分領域が長くなり、素線間の横断電流による発熱密度が低下するため安定性が向上すること、銅を素線表面付近に配置することにより、擾乱熱や横断電流による発熱を拡散させる効果があることなどを明らかにした。また、S/N転移型限流器について、実用時に想定される電流上昇速度における常電導転移・伝播に伴う常電導抵抗値の時間変化について詳細に評価を行った。
2.垂直円筒型超伝導リニア誘導モータの試作:実機運転環境下での超伝導導体の特性を明らかにするため、交流一次巻線を超伝導化した円筒型短一次リニア誘導モータを試作した。そして二次導体(アルミ円筒)の突入・脱出時の交流巻線の電磁的、機械的特性を調べるとともに、三相不平衡電流の抑制、一次電流分布の最適化、超伝導一次コイルが常伝導転移したときのクエンチ保護装置の試作・開発など、実機運転で必要となる事項について成果・知見を得た。
3.高温超伝導線材・コイルの安定性評価:本研究は低温金属系線材の交流応用を対象に計画されたが、その後、高温酸化物超伝導線材の開発が急速に進んだ。そこで、高温超伝導線材・コイルに関して、主としてこれを冷凍機により伝導冷却した際の熱的挙動について実験と数値シミュレーションの両面から検討を行い、従来の低温金属系超伝導線材・コイルとの相違点を明らかにした。また、コイル電流が変動する際の過渡特性に焦点を当て、従来の金属系に比べ熱的に安定であること、電流変動や過電流に対する耐量が大きいことなどを定量的に明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】8,800千円 (直接経費: 8,800千円)

【研究分野】無機工業化学

【研究領域課題番号】08044135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / ホール分布 / 不可逆磁場 / 短寿命125K級超伝導体 / “水"を含む高磁場超伝導体 / 酸化亜鉛 / コンビナトリアルレーザーMBE / ナノドット低次元構造 / オーバードープ / 0112 / 高温超伝導トンネル接合 / コンビナトリアルケミストリー / Hg-1223 / 酸化物エレクトロニクス / レーザーMBE / 酸化物エピタキシ- / 原子層エピタキシ- / 高温超伝導 / 臨界温度 / ホールド-ピングルート / 高圧合成 / ボンド・バレンス・サム

【研究成果の概要】

共同研究のパートナーであるヘルシンキ工科大のProf.NiinistoとDr.Karppinenとは、高温超伝導物質結晶内のキャリア分布と超伝導特性の向上に関する実験および結果の検討を行った。ペンシルバニア州立大のProf.Schlomとは酸化物の薄膜形成と電子機能について討論した。1998年11月12〜13日には、"International Workshop on Chemical Desigh and Processing of High-T_cSuperconductors IV"をDr.KarppinenとProf.Schlomとともに開催し、本共同研究の今までの成果を発表した。またヘルシンキ工科大のProf.NiinistoとはALE法による超伝導薄膜合成と、コンビナトリアルケミストリー法の材料開発への応用に関する研究協力を行った。主な成果は以下の通りである。
● 単位格子内ホール分布を自在に制御できる超伝導物質シリーズ、(Yb,Ca)(Ba,Sr)_2CU_3O_<7-d>を合成し、T_cを低下させずに不可逆磁場特性が大きく向上した試料の作製に成功した。ボンド・バレンス計算やX線吸収実験結果より、キャリアの分布を均一にすると、不可逆磁場特性が大きく向上することを見いだし、実際に物質を創製しこれを実証した。
● Ba-Ca-Cu-O系で最も高い臨界温度126Kをもつが非常に不安定な超伝導物質を合成し、この相がBa_2Ca_2Cu_3O_y(0223相)であり、大気中で"水"を含むH_5Ba_2Ca_2Cu_3O_y(H-5223相)に変化する過程を初めて解明した。これら2相を比較すると、後者の不可逆磁場特性はむしろ優れており、磁場特性は構造よりもキャリアの空間分布異方性により支配されることがわかった。
● 酸化物ヘテロ接合の完全制御をめざし、酸化物最表面構造の実空間原子レベル同定技術を確立し、成膜条件と結晶成長表面の定量的な相関を解明した。
● 新奇な磁気特性創成をめざし、強磁性酸化物におけるナノワイヤー、ナノドット低次元構造の構築に成功し、磁気特性の次元依存性についての基礎的知見を得ることができた。
● レーザーMBEをベースとするコンビナトリアルレーザーMBEおよび超格子製造装置のコンセプトを提案してこれを作製し、原子レベルで制御した多層薄膜のパラレル合成に世界で初めて成功した。また、室温紫外レーザー光の発振を見出したZnOナノドット膜のバンドギャップ制御に、コンビナトリアルレーザーMBE法が極めて有効な手法であることを明らかにした。

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】29,100千円 (直接経費: 29,100千円)