Quantum Criticality and Unconventional Superconductivity in Heavy-fermion Artificial Superlattices

• Project/Area Number: 18J10553
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 成塚 政裕 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 超伝導 / 重い電子系 / 強相関電子系 / 人工超格子 / 分子線エピタキシー / 界面制御 / MBE / STM

Outline of Annual Research Achievements

強相関電子系における長年の未解決問題である非従来型超伝導と磁性の関係を明らかにする目的で、d波超伝導体CeCoIn5と反強磁性体のCeRhIn5やCeIn3からなる重い電子系人工超格子を作製し、系統的な磁性層層数依存性・圧力依存性を調べた。これらの重い電子系人工超格子では、超伝導状態と反強磁性状態が空間的に分離した層に共存し、界面を介した相互結合によって元々のバルク物質とは大きく異なった超伝導特性や磁気特性実現する。準二次元的な反強磁性秩序を持つCeRhIn5を用いたCeCoIn5/CeRhIn5超格子では、圧力によりCeRhIn5層の反強磁性秩序を抑制すると、超伝導体のCeCoIn5層に注入された反強磁性量ゆらぎが、超伝導の電子対形成相互作用を強化することが明らからになった。一方で、三次元的な反強磁性秩序を持つCeIn3を用いたCeCoIn5/CeIn3超格子では、反強磁性ゆらぎは注入されているものの超伝導の電子対形成相互作用はほとんど影響を受けないことが明らかになった。これらの結果は、二次元的な反強磁性ゆらぎがCeCoIn5の超伝導の電子対形成に本質的に重要であることを対照的な実験によって示したものである。
一方、走査トンネル顕微鏡分光測定による重い電子系原子層薄膜の直接観測においては、昨年のCeRhIn5薄膜における電子状態の直接観測以降、測定装置の大きなトラブルに見舞われた。現在は解決しており、CeCoIn5原子層薄膜を用いたヘテロ構造の作製にも成功している。研究遂行の見通しがついていることから今後の進展に期待したい。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Coupling between the heavy-fermion superconductor CeCoIn5 and the antiferromagnetic metal CeIn3 through the atomic interface (2019)
  • Author(s): Naritsuka M.、Nakamura S.、Kasahara Y.、Terashima T.、Peters R.、Matsuda Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 2 Pages: 024507-024507
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.024507
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Evidence for the Existence of Heavy Quasiparticles in the Magnetically Ordered Phase of CeRhIn5 (2019)
  • Author(s): Haze Masahiro, Peters Robert, Torii Yohei, Suematsu Tomoka, Sano Daiki, Naritsuka Masahiro, Kasahara Yuichi, Shibauchi Takasada, Terashima Takahito, Matsuda Yuji
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 88 Issue: 1 Pages: 014706-014706
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.014706
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modification of magnetic fluctuations by interfacial interactions in artificially engineered heavy-fermion superlattices (2019)
  • Author(s): Nakamine Genki、Yamanaka Takayoshi、Kitagawa Shunsaku、Naritsuka Masahiro、Ishii Tomohiro、Shibauchi Takasada、Terashima Takahito、Kasahara Yuichi、Matsuda Yuji、Ishida Kenji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 8 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.081115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tuning the Pairing Interaction in a d-Wave Superconductor by Paramagnons Injected through Interfaces (2018)
  • Author(s): Naritsuka M.、Rosa P.F.S.、Luo Yongkang、Kasahara Y.、Tokiwa Y.、Ishii T.、Miyake S.、Terashima T.、Shibauchi T.、Ronning F.、Thompson J.?D.、Matsuda Y.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Issue: 18 Pages: 187002-187002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.187002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] a-RuCl3の薄膜と電界効果デバイスの作製 (2020)
  • Author(s): 成塚政裕、井伊崇仁、中村聡史、Liang Li, Wei-Li Lee, 笠原成、笠原裕一、寺嶋孝仁、松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2020年年次大会
• [Presentation] Heavy-fermion superconducting superlattices grown by MBE (2019)
  • Author(s): M. Naritsuka, S. Nakamura, Y. Kasahara, T. Terashima, and Y. Matsuda
  • Organizer: EMN Meeting on Epitaxy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質a-RuCl3の単層薄膜作製II (2019)
  • Author(s): 成塚政裕、高津浩、笠原成、笠原裕一、寺嶋孝仁、陰山洋、松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] CeCoIn5/CeIn3超格子における反強磁性揺らぎの2次元超伝導への影響 (2019)
  • Author(s): 中村聡史, 成塚政裕, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2019年年次大会
• [Presentation] STMを用いたFe(Se,S)の正方晶相における電子状態の観測 (2019)
  • Author(s): 佐野大樹, 末松知夏, 成塚政裕, 土師将裕, 谷口智哉, 笠原成, 笠原裕一, 芝内孝禎A, 花栗哲郎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2019年年次大会
• [Presentation] 反転対称性の破れたNb/V/Ta人工格子の作製とその超伝導 (2019)
  • Author(s): 安藤冬希, 菅大介, 中村聡史, 成塚政裕, 笠原裕一, 塩田陽一, 森山貴広, 島川祐一, 松田祐司, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会 2019年年次大会
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3の単層薄膜作製 (2019)
  • Author(s): 成塚政裕, 高津浩, 笠原成, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 陰山洋, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2019年年次大会
• [Presentation] STM and Nernst measurements on tetragonal and orthogonal phase of Fe(Se1-xSx) (2019)
  • Author(s): Masahiro Haze, Wen-Kai Huang, Daiki Sano, Shigeru Kasahara, Masahiro Naritsuka, Tomoka Suematsu, Tomoya Taniguchi, Yuichi Kasahara, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CeCoIn5/CeIn3超格子における圧力下超伝導状態 (2018)
  • Author(s): 中村聡史, 成塚政裕, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] Fe(Se,S)の正方晶相におけるSTM測定 (2018)
  • Author(s): 佐野大樹, 末松知夏, 成塚政裕, 土師将裕, 谷口智哉, 笠原成, 笠原裕一, 芝内孝禎, 花栗哲郎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] FeSe双晶境界のエッジで見られる局所超伝導状態 (2018)
  • Author(s): 成塚政裕, 土師将裕, 末松知夏, 佐野大樹, 谷口智哉, 笠原成, 笠原裕一, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] Tuning the Pairing Interaction in a d-Wave Superconductor by Paramagnons Injected through Interfaces (2018)
  • Author(s): Naritsuka M.、Rosa P. F. S.、Luo Yongkang、Kasahara Y.、Tokiwa Y.、Ishii T.、Miyake S.、Terashima T.、Shibauchi T.、Ronning F.、Thompson J. D.、Matsuda Y.
  • Organizer: The 12th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors
  • Int'l Joint Research