超低温測定によるf電子系化合物の量子臨界現象の研究

• Project/Area Number: 16K17743
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉井 かおり 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (40749404)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2018: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2017: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2016: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 低温物性 / 物性実験 / 重い電子系化合物 / 量子臨界点

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、f電子系化合物の量子臨界点（QCP）近傍に現れる異常な電子構造を明らかにするとともに、超低温度に現れる相転移現象について解明することを目的とする。
f電子系化合物のひとつであるCeCoIn5は、c軸方向への磁場印加によって5 T付近に反強磁性秩序に起因するQCPが存在すると考えられてきたが、これまでに磁気秩序状態は発見されていなかった。そこで我々のグループは、前年度、数mKの超低温まで冷却できる核断熱冷凍機を用いてキャパシタンス法によりCeCoIn5の量子振動測定を行ったところ、20 mK程度に量子振動の振動数のとびを観測した。この量子振動の振動数のとびは、なんらかの磁気秩序に由来するものである可能性がある。本研究結果を国際誌において発表し、共同研究者が国際会議や国際ワークショップにおいて発表した。
本年度はさらに、CeCoIn5において反強磁性秩序相が存在するかどうかを明らかにするために超低温までのNMR測定を行った。その結果、反強磁性秩序形成に伴うスピン格子緩和時間の急激な減少などは観測されなかった。この原因として、反強磁性秩序のQベクトルが(1/2,1/2,1/2)方向である可能性や、試料の純良度の違いによって秩序温度が変化した可能性、印加磁場が高磁場過ぎた可能性などが考えられる。Qベクトルが(1/2,1/2,1/2)方向である場合、Coや特定のInサイトによるNMR測定では反強磁性モーメントの対称性によって反強磁性相は検出できない。この場合は、他の測定手法によって反強磁性相を観測する必要がある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

まず、CeCoIn5の量子振動測定の研究結果を査読付きの論文にまとめることができた。また、NMR測定では、反強磁性相の直接の観測はできなかった。理由として上述したようにいくつかの理由が考えられるが、まず、低磁場でのNMR測定と量子振動測定を行うことで原因を追究する予定である。また、Qベクトルが（1/2,1/2,1/2）の方向を向いている可能性も十分にあるため、今後は、熱膨張率測定などの他の測定手法によって反強磁性相の観測に挑戦する必要がある。

Strategy for Future Research Activity

CeCoIn5のab面内に磁場を印加したとき、Q-phaseと呼ばれる何らかの磁気秩序相が存在することが先行研究によって明らかにされている。しかし、Q-phaseが超低温であるために、どういう性質をもつものかはわかっていなかった。この磁性相について調べるために、ab面内に磁場を印加したときの量子振動測定を行う。まず、角度回転機構を核断熱冷凍機の試料空間に取り付け、試料を回転できるように改造する。そのためのピエゾローテータを購入済みである。前回と同様にキャパシタンス法によるドハースヴァンアルフェン振動を観測する。Q-phase近傍における有効質量や量子振動の振動数、振動振幅の温度変化を測定し、Q-phaseの性質を明らかにする。
また、これらの測定手法をYbRh2Si2などのf電子系化合物にも行うことで、磁場中に現れるQCPの性質を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov superconductivity in the layered organic superconductor beta''-(BEDT-TTF)4[(H3O)Ga(C2O4)3]C6H5NO2 (2018)
  • Author(s): Uji S.、Iida Y.、Sugiura S.、Isono T.、Sugii K.、Kikugawa N.、Terashima T.、Yasuzuka S.、Akutsu H.、Nakazawa Y.、Graf D.、Day P.
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Pages: 144505-144505
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.144505
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous suppression in the de Haas-van Alphen oscillations of CeCoIn5 at ultra-low temperatures (2018)
  • Author(s): Hiroaki Shishido, Shogo Yamada, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Youichi Yanase, Minoru Yamashita
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Split Fermi Surfaces of the Spin–Orbit-Coupled Metal Cd2Re2O7 Probed by de Haas–van Alphen Effect (2018)
  • Author(s): Yasuhito Matsubayashi, Kaori Sugii, Hishiro T. Hirose, Daigorou Hirai, Shiori Sugiura, Taichi Terachima, Shinya Uji, Zenji Hiroi
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 87 Issue: 5 Pages: 053702-053702
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.053702
  • NAID: 160000038890
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum-disordered state of magnetic and electric dipoles in an organic Mott system (2017)
  • Author(s): Shimozawa M.、Hashimoto K.、Ueda A.、Suzuki Y.、Sugii K.、Yamada S.、Imai Y.、Kobayashi R.、Itoh K.、Iguchi S.、Naka M.、Ishihara S.、Mori H.、Sasaki T.、Yamashita M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 8 Pages: 1821-1821
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01849-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermal Hall Effect in a Phonon-Glass Ba3CuSb2O9 (2017)
  • Author(s): K. Sugii,* M. Shimozawa, D. Watanabe, Y. Suzuki, M. Halim, M. Kimata, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, and M. Yamashita
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 118 Pages: 145902-145902
  • DOI: 10.1103/physrevlett.118.145902
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Diamagnetic Torque Signal and Temperature-Dependent Paramagnetism in Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • Author(s): Satoshi Tsuchiya, Takashi Mochiku, Shuichi Ooi, Kazuto Hirata, Kaori Sugii, Taichi Terashima, Shinya Uji
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 86 Issue: 11 Pages: 114711-114711
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.114711
  • NAID: 40021377042
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 格子振動による熱ホール効果 (2017)
  • Author(s): 杉井かおり、山下穣
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 52 Pages: 783-792
  • NAID: 40021422480
• [Journal Article] Hybridization Effect in BaFe2(As1−xPx)2Observed by Hard X-ray Photoemission Spectroscopy (2017)
  • Author(s): Shunsuke Tsuda, Naoki Kikugawa, Kaori Sugii, Shinya Uji, Shigenori Ueda, Masao Arai, Masamichi Nakajima, Akira Iyo, and Hiroshi Eisaki
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 86 Issue: 5 Pages: 053702-053702
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.053702
  • NAID: 160000038427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of nontrivial magnetic excitations in a spin-liquid state of kagome volborthite (2016)
  • Author(s): D. Watanabe, K. Sugii, M. Shimozawa, Y. Suzuki, T. Yajima, H. Ishikawa, Z. Hiroi, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and M. Yamashita
  • Journal Title: PNAS Volume: 113 Pages: 8653-8657
  • DOI: 10.1073/pnas.1524076113
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Superconducting subphase in the layered perovskite ruthenate Sr2RuO4 in a parallel magnetic field (2016)
  • Author(s): Naoki Kikugawa, T. Terashima, Shinya Uji, Kaori Sugii, Yoshiteru Maeno, David Graf, Ryan Baumbach, and James Brooks
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Pages: 184513-184513
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.184513
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] カイラル反強磁性体Mn3Geの磁場中熱輸送特性 (2018)
  • Author(s): 杉井かおり,下澤雅明, 赤澤仁寿, 近藤潤, 冨田崇弘, A. A. Nugroho, 中辻知, 山下穣
  • Organizer: 2018年日本物理学会年次大会
• [Presentation] Kitaevスピン液体における半整数量子熱ホール効果の観測 (2018)
  • Author(s): 馬斯嘯, 笠原裕一, 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 2018年日本物理学会年次大会
• [Presentation] Anomalous Hall Effect in Topological Antiferromagnetic State in Mn3Sn (2018)
  • Author(s): Kaori Sugii, Yusuke Imai, Masaaki Shimozawa, Muhammad Ikhlas, Naoki Kiyohara, Takahiro Tomita, Satoru Nakatsuji, Minoru Yamashita
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous magnetization of the chiral antiferromagnet Mn3Sn (2018)
  • Author(s): Masaaki Shimozawa, Kaori Sugii, Jun Kondo, Yoshitaka Suzuki, Minoru Yamashita, Taketomo Nakamura, Shingo Katsumoto, Yasuhiro Tada, Muhammad Ikhlas, Tomoya Higo, Takahiro Tomita, Satoru Nakatsuji, Marcin Konczykowski, Yuji Matsuda, Kiyotaka Mukasa, Kohei Matsuura, Yuta Mizukami, Takasada Shibauchi
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of half-integer thermal Hall conductance in a Kitaev quantum magnet (2018)
  • Author(s): Yuichi Kasahara, Kaori Sugii, Takafumi Ohnishi, Masaaki Shimozawa, Minoru Yamashita, Nobuyuki Kurita, Hidekazu Tanaka, Joji Nasu, Yukitoshi Motome, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous Thermal Hall Effect in Mn3Sn (2018)
  • Author(s): K. Sugii, Y. Imai, M. Shimozawa, M. Ikhlas, N. Kiyohara, T. Tomita, S. Nakatsuji, M. Yamashita
  • Organizer: ISSP Workshop: Novel phenomena in quantum materials driven by multipoles and topology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キラル反強磁性体CsCuCl3の熱輸送測定 (2017)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 土岐勇人, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 高阪勇輔, 秋光純, 井上克也, J. Zaccaro, I. Gautier-Luneau, D. Luneau
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] カイラル反強磁性体Mn3Snにおける表面状態の観測 (2017)
  • Author(s): 向笠清隆, 下澤雅明, 鈴木喜貴, 杉井かおり, 近藤潤, 山下穣, 多田靖啓, 中村壮智, 勝本信吾, Muhammad Ikhlas, 冨田崇弘, 肥後友也, 中辻知, Marcin Konczykowski, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 芝内孝禎
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] a-RuCl3のKitaevスピン液体状態におけるマヨラナカイラルエッジ電流 (2017)
  • Author(s): 大西隆史, 笠原裕一, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲二, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] カゴメ反強磁性体Ca-Kapellasiteの熱輸送測定 (2017)
  • Author(s): 土岐勇人, 赤澤仁寿, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 小田研, 吉田紘行
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] パイロクロア酸化物超伝導体Cd2Re2O7のde Haas-van Alphen効果 (2017)
  • Author(s): 松林康仁, 杉井かおり, 平井大悟郎, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也, 広井善二
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] π電子 プロトン相関型Cat-TTF系における量子スピン液体状態と量子常誘電状 態の関係 (2017)
  • Author(s): 近藤潤, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 木俣基, 橋本顕一郎, 井口敏, 佐々木孝彦
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] dHvA measurements of CeCoIn5 at ultra-low temperature (2017)
  • Author(s): Hiroaki Shishido, Shogo Yamada, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Youichi Yanase, Minoru Yamashita
  • Organizer: SCES2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 II (2017)
  • Author(s): 田代光輝, 山田章悟, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学、大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質a-RuCl3における熱Hall効果測定 (2017)
  • Author(s): 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 山下穣, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学、大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] プロトン-π電子相関系における量子スピン液体状態：元素置換効果の考察 (2017)
  • Author(s): 近藤潤, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 木俣基, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学、大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] カイラル反強磁性体Mn3Snの局所磁化測定 (2017)
  • Author(s): 向笠清隆, 下澤雅明, 鈴木喜貴, 山下穣, Muhammad Ikhras, 冨田崇弘, 肥後友也, 中辻知, Marcin Konczykowski, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 芝内孝禎, 近藤潤, 杉井かおり, 中村壮智, 勝本信吾
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学、大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Sr2RuO4の面並行磁場下での磁気トルク (2017)
  • Author(s): 菊川直樹, 寺嶋太一, 宇治進也, 杉井かおり, 前野悦輝, David Graf, Ryan Baumbach, James Brooks
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学、大阪府豊中市
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Anomalous thermal and magnetic properties of the chiral antiferromagnet Mn3Sn (2017)
  • Author(s): M. Shimozawa, K. Sugii, Y. Imai, J. Kondo, Y. Suzuki, M. Yamashita, T. Nakamura, S. Katsumoto, M. Ikhras, T. Higo, T. Tomita, N. Kiyohara, S. Nakatsuji, M. Konczykowski, Y. Matsuda, K. Mukasa, K. Matsuura, Y. Mizukami, T. Shibauchi
  • Organizer: TPFC2017
  • Place of Presentation: 東京大学、千葉県柏市
  • Year and Date: 2017-02-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum spin liquid induced by entangled electron-proton degrees of freedom (2017)
  • Author(s): M. Shimozawa, K. Hashimoto, A. Ueda, Y. Suzuki, K. Sugii, S. Yamada, Y. Imai, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, H. Mori, T. Sasaki, M. Yamashita
  • Organizer: CEMS-QPEC Symposium on Emergent Quantum Materials
  • Place of Presentation: 東京大学、東京都文京区
  • Year and Date: 2017-01-18
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 (2016)
  • Author(s): 田代光揮, 山田章悟, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Mn3Snの異常熱ホール効果 (2016)
  • Author(s): 杉井かおり, 今井悠介, 下澤雅明, Muhammad Ikhlas, 清原直樹, 冨田崇弘, 中辻知, 山下穣
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] カゴメ格子フラストレート系ボルボサイトの熱輸送異方性測定 (2016)
  • Author(s): 山下穣, 杉井かおり, 下澤雅明, 石川孟, 矢島健, 廣井善二, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Thermal transport properties of quantum spin liquid candidate Ba3CuSb2O9 (2016)
  • Author(s): Kaori Sugii, M. Shimozawa, D. Watanabe, Y. Suzuki, M. Halim, M. Kimata, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, M. Yamashita
  • Organizer: HFM2016
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 格子振動による熱流が磁場で曲がることを発見
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/release20170322.pdf