Superconductivity parity and magnetic frustration near quantum critical point of chiral symmetry structure

• Project/Area Number: 20H01848
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 岩佐 和晃 茨城大学, フロンティア応用原子科学研究センター, 教授 (00275009)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 桑原 慶太郎 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (90315747)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
• Keywords: カイラル対称 / 超伝導パリティ / 量子スピン液体 / 磁気フラストレーション / 量子ビーム

Outline of Research at the Start

カイラル・非反転結晶構造への相転移が絶対零度に抑制された量子臨界点でのトポロジカル物性現象を追究する。カイラル量子臨界点近傍では、超伝導パリティの混成と奇パリティ増強、さらに新たな幾何学構造による磁気フラストレーションと量子スピン液体が出現し得る。これらの物理現象をA3Tr4X13（A = アルカリ土類金属元素や希土類元素、Tr = 遷移金属元素、X = Sn, Ge, Pb）を対象として調べる。

Outline of Annual Research Achievements

(1) カイラル・非反転対称結晶構造への相転移が絶対零度に抑制された量子臨界点の近傍における超伝導現象を示しうる物質開拓を推進した。La3Co4(Sn1-xInx)13のxに対する構造相転移温度と超伝導転移温度を調べ、x < 0.05において構造相転移温度が低下するものの超伝導転移温度がほぼ保たれていることを見出した。理論的に提案されているカイラル構造量子臨界点近傍での超伝導パリティの混成が期待できる。
(2) Ce3Rh4Sn13のWeyl-Kondo半金属状態を明らかにした論文を発表した。磁気秩序せずに電気抵抗のほとんど温度依存しないことから、この物質は近藤効果によるCe 4f電子と伝導電子の混成状態が有効な半金属である。中性子非弾性散乱により50%のCeイオンが近藤状態にあり、さらに光電子分光測定からCe 4f電子が伝導電子を構成することを明らかにした。また低温比熱に温度の3乗項が存在し、電子系の線型バンド構造を指摘した。この低温比熱は中性子非弾性散乱で見出した0.1 meV程度の特徴的なスピンゆらぎと符合したので、近藤効果による混成状態が線型バンドをとることを論じ、Weyl-Kondo半金属状態が実現していることを主張した。
(3) 中性子散乱によりNd3Rh4Sn13の反強磁気構造を捉え、さらにNd3Co4Sn13におけるスピン波励起を観測した。 Nd3Ir4Sn13を含む一連のNd系における磁気相関の発達が三次元格子系にもかかわらず磁気フラストレーションによって抑制される一方で、主要な１次元相互作用によるダイナミクスが現れることを発見した。
(4) Eu3Ir4Sn13が新たなカイラル対称性の結晶構造に相転移すること、その構造で反強磁気秩序をすることを放射光X線散乱と中性子散乱により明らかにし、カイラル構造のもと反強磁気秩序を示す物質群を拡張できることを示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

Nd, Eu系に対象物質を拡張することで、前年度から引き続き物質合成がコンスタントに進められ、主要な実験手法である大型実験施設での量子ビーム散乱実験の機会を十分に得ることで、結晶・磁気構造および磁気励起の新たな量子性を発見できた。特に、日本原子力研究開発機構研究用原子炉JRR-3での中性子散乱実験の機会をより豊富にすることができ、研究の早い段階で結晶構造と磁気構造の相転移の概要を掴むことできたことが研究の進展を後押しした。並行して放射光を含むX線散乱実験を以前と同様に実施することができ、La系超伝導体の新たな元素置換系での構造相転移の量子臨界現象などを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

カイラル構造量子臨界点での超伝導特性の研究対象としたLa3Co4(Sn1-xInx)13の合成では、濃度xが0.05程度において試料毎のばらつきが少ない物質であることが分かり、以前に対象としてきたCoサイトのRu置換に比べて有望であることが分かった。今後は量子臨界点に至ることが明確になるように、より高濃度のIn置換系を合成し、超伝導特性を明らかにする。量子スピン系に関する研究では、中性子非弾性散乱によりNd3Co4Sn13, Nd3Rh4Sn13での低次元性で特徴づけられる量子スピンゆらぎが見つかった。今後、そのエネルギー-運動量空間での詳細を明らかにし、これらの物質の特徴的な三次元格子での新たな量子スピン効果による磁性現象を確立する。そのためにまず磁気基底状態を確定する成果を公表する。さらに新たなカイラル対称構造に相転移することが明らかになりつつあるEu3Rh4Sn13, Eu3Ir4Sn13の構造異常と磁気状態を確定する実験・解析を今後も推進する。以上の目標に向けて、従来同様に、放射光X線散乱と中性子散乱の実験機会を確保する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University Grenoble Alpes/Institut Laue Langevin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Johannesburg(南アフリカ)
• [Int'l Joint Research] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Johannesburg(南アフリカ)
• [Journal Article] Weyl-Kondo semimetal behavior in the chiral structure phase of Ce3Rh4Sn13 (2023)
  • Author(s): Iwasa Kazuaki、Suyama Kazuya、Ohira-Kawamura Seiko、Nakajima Kenji、Raymond St?phane、Steffens Paul、Yamada Akira、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Kawasaki Ikuto、Fujimori Shin-ichi、Yamagami Hiroshi、Yokoyama Makoto
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.014201
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multipole polaron in the devil's staircase of CeSb (2022)
  • Author(s): Y. Arai, K. Kuroda, T. Nomoto, Z. H. Tin, S. Sakuragi, C. Bareille, S. Akebi, K. Kurokawa, Y. Kinoshita, W.-L. Zhang, S. Shin, M. Tokunaga, H. Kitazawa, Y. Haga, H. S. Suzuki, S. Miyasaka, S. Tajima, K. Iwasa, R. Arita, T. Kondo
  • Journal Title: Nat. Mater. Volume: 21 Issue: 4 Pages: 410-410
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01188-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic excitations in chiral-structure phase of Ce3Ir4Sn13 (2021)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa, Seiya Nakazato, Daisuke Hashimoto, Mami Shiozawa, Keitaro Kuwahara, Hajime Sagayama, Seiko Ohira-Kawamura, Naoki Murai, Devashibhai T. Adroja and Andre' M. Strydom
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 12 Pages: 124701-124701
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.124701
  • NAID: 210000159437
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Observation of Modulation of p-f Hybridization in Unconventional Ordered Phase of PrRu4P12 (2020)
  • Author(s): Nakao Hironori、Iwasa Kazuaki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 6 Pages: 063703-063703
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.063703
  • Peer Reviewed
• [Presentation] La3Co4Sn13-xInxにおける結晶構造相転移と超伝導 (2023)
  • Author(s): 今関啓雅, 岩佐和晃, 下田愛海, 熊田隆伸, 黒澤航海, 鈴木陽太郎, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 中尾裕則, 奥山大輔, 石角元志
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ（第14回MLFシンポジウム, 第40回PFシンポジウム）
• [Presentation] Nd-Ru-Sn系における結晶構造と磁性 (2023)
  • Author(s): 黒澤航海, 岩佐和晃, 下田愛海, 熊田隆伸, 今関啓雅, 鈴木陽太郎, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 奥山大輔, 石角元志
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ（第14回MLFシンポジウム, 第40回PFシンポジウム）
• [Presentation] Eu3Ir4Sn13おける結晶構造相転移と反強磁気秩序の量子ビーム散乱研究 (2023)
  • Author(s): 鈴木陽太郎, 熊田隆伸, 岩佐和晃, 下田愛海, 今関啓雅, 黒澤航海, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 奥山大輔, 中尾裕則, 石角元志
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ（第14回MLFシンポジウム, 第40回PFシンポジウム）
• [Presentation] 茨城大学によるJRR-3 HQR を含む量子ビーム利用による 研究・教育活動 (2023)
  • Author(s): 岩佐和晃, 大山研司, 横山淳, 中野岳仁, 桑原慶太郎, 伊賀文俊, 中島多朗
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ（第14回MLFシンポジウム, 第40回PFシンポジウム）
• [Presentation] 立方晶Nd3Rh4Sn13の磁気励起に見られる擬1次元量子スピン反強磁性 (2023)
  • Author(s): 下田愛海, 岩佐和晃, 桑原慶太郎, 石角元志, 河村聖子, 村井直樹, 星川晃範, 石垣徹, 中尾朗子，大原高志, 佐賀山基, 中尾裕則
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 中性子散乱で見るZnイオン置換したCeCoIn5の反強磁性構造関 (2023)
  • Author(s): 井能楓, 矢代安澄, 小泉遼介, 細貝明日香, 海老澤秀明, 高橋哲平, 川崎郁斗, 奥山大輔, Hung-Cheng Wu, 佐藤卓, 岩佐和晃, 大山研司, Stephane Raymond, 天谷健一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Ce3T4Sn13 (T = 遷移金属)の量子ビーム散乱構造物性 (2022)
  • Author(s): 岩佐和晃
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会「中性子散乱研究会 - 海外実験支援プログラムの成果報告と、再稼働したJRR-3の現在地 -」
  • Invited
• [Presentation] Magnetic ordering and structural phase transitions of Nd3T4Sn13 (T = Rh and Ir) (2022)
  • Author(s): Ami Shimoda, Kazuaki Iwasa, Keitaro Kuwahara, Hajime Sagayama, Hironori Nakao, Motoyuki Ishikado, Takashi Ohhara, Akiko Nakao, Akinori Hoshikawa, and Toru Ishigaki
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 一次元反強磁性体CuX2・(γ-pic)2(X=Cl,Br)の磁性と結晶構造との相関 (2022)
  • Author(s): 浅野貴行, 西首時夫, 三田魁斗, 神戸高志, 岩佐和晃, 佐賀山基, 鳴海康雄, 萩原政幸, 梅野智大, 臼井一晃, 唐沢悟
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Nd3T4Sn13 (T=Rh, Ir)におけるカイラル対称結晶構造相転移と反強磁気秩序 (2022)
  • Author(s): 下田愛海, 岩佐和晃, 桑原慶太郎, 星川晃範, 石垣徹, 中尾裕則, 佐賀山基, 大原高志, 中尾朗子, 石角元志
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 単結晶中性子回折によるNdCo2Zn20の磁気構造の研究 (2022)
  • Author(s): 山本理香子, 岩佐和晃, 大山研司, 鬼丸孝博
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Nd3Tr4Sn13 (Tr = Rh, Ir)の立方ロッド充填格子における磁気状態 (2022)
  • Author(s): 岩佐和晃, 下田愛海, 桑原慶太郎, 石角元志，河村聖子, 村井直樹, 星川晃範, 石垣徹, 中尾朗子, 大原高志, 佐賀山基, 中尾裕則
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] カイラル構造相転移物質における電子物性の量子ビーム散乱研究 (2022)
  • Author(s): 岩佐 和晃
  • Organizer: 公益財団法人山田科学振興財団2022年度研究交歓会
• [Presentation] La3T4Sn13 (T = Co, Rh)への遷移金属元素置換によるカイラル構造の量子臨界と超伝導 (2022)
  • Author(s): 岩佐和晃, 塩澤真未, 橋本大輔, 鈴木詩織, 郡司和毅, 下田愛海, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 中尾裕則, 石角元志
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 再稼働した汎用中性子三軸分光器T1-1(HQR)の性能評価 (2022)
  • Author(s): 富松優花, Keiko Widyanisa, 小林洋大, 岩佐和晃, 中島多朗, 大山研司
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Eu3Rh4Sn13の結晶構造相転移と反強磁気秩序の量子ビーム散乱研究 (2022)
  • Author(s): 熊田隆伸, 岩佐和晃, 下田愛海, 尾本星太, 西口日向, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 中尾裕則, 石角元志
  • Organizer: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ（第13回MLFシンポジウム, 第39回PFシンポジウム）
• [Presentation] Gd3Ir4Sn13の単結晶合成と放射光Ｘ線回折による構造相転移の研究 (2022)
  • Author(s): 尾本星太, 岩佐和晃, 下田愛海, 熊田隆伸, 西口日向, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 中尾裕則, 石角元志
  • Organizer: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ（第13回MLFシンポジウム, 第39回PFシンポジウム）
• [Presentation] La3Co4Sn13における結晶構造相転移と超伝導 (2022)
  • Author(s): 西口日向, 岩佐和晃, 下田愛海, 熊田隆伸, 尾本星太, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 石角元志
  • Organizer: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ（第13回MLFシンポジウム, 第39回PFシンポジウム）
• [Presentation] Nd3T4Sn13 (T = Rh, Ir)におけるカイラル結晶構造相転移と反強磁気秩序 (2022)
  • Author(s): 下田愛海, 岩佐和晃, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 中尾裕則, 石角元志, 大原高志, 中尾朗子
  • Organizer: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ（第13回MLFシンポジウム, 第39回PFシンポジウム）
• [Presentation] Nd3Rh4Sn13におけるカイラル結晶構造相転移と反強磁気秩序 (2021)
  • Author(s): 下田愛海, 桑原慶太郎, 中尾裕則, 佐賀山基, 大原高志, 中尾朗子, 石角元志, 岩佐和晃
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 一次元反強磁性体CuX2・(γ-pic)2(X=Cl,Br)の磁性と誘電性 (2021)
  • Author(s): 浅野貴行, 西首時夫, 神戸高志, 鳴海康雄, 萩原政幸, 梅野智大, 臼井一晃, 唐沢悟, 岩佐和晃
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] La3Ir4Sn13におけるカイラル構造相転移と超伝導 (2021)
  • Author(s): 岩佐和晃, 中里晟也, 塩澤真未, 橋本大輔, 桑原慶太郎, 髭本亘, 伊藤孝, 中尾裕則, 佐賀山基, 石角元志
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Superconductivity enhancement and quantum critical point of chiral structure induced by atomic substitutions in La3T4Sn13 (T = Co and Rh) (2021)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa, Mami Shiozawa, Daisuke Hashimoto, Shiori Suzuki, Kazuki Gunji, Ami Shimoda, Keitaro Kuwahara, Hajime Sagayama, Hironori Nakao, Motoyuki Ishikado
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES2020/21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ce3Ir4Sn13のカイラル結晶構造相における磁気状態 (2021)
  • Author(s): 岩佐和晃, 中里晟也, 橋本大輔, 塩澤真未, 桑原慶太郎, 佐賀山基, 河村聖子, 村井直樹, Devashibhai T. Adroja, Andre M. Strydom
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] 汎用三軸分光器T1-1(HQR)装置の基礎データ評価 (2021)
  • Author(s): 富松優花，Keiko Widyanisa，小林洋大，岩佐和晃，中島多朗，大山研司
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] 東北大学中性子散乱分光器6G-TOPANの2021年 (2021)
  • Author(s): 池田陽一，大河原学，谷口貴紀，南部雄亮，岩佐和晃，藤田全基
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] 中性子三軸分光器T1-1(HQR) の現状 (2021)
  • Author(s): 大山研司, 岩佐和晃, 中島多朗, 伊賀文俊, 桑原慶太郎, 中野岳仁, 横山淳
  • Organizer: 日本中性子科学会第21回年会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光による Ce モノプニクタイドの多体相互作用の観測 (2021)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 黒川輝風, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Ce3Rh4Sn13へのRu置換によるカイラル構造量子臨界点 (2021)
  • Author(s): 橋本大輔, 岩佐和晃, 中里晟也, 塩澤真未, 郡司和毅, 下田愛海, 鈴木詩織，桑原慶太郎, 石角元志, 中尾裕則, 佐賀山基, 河村聖子, 村井直樹, 中島健次
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] カイラル構造相転移をする超伝導体La3(Co1-xFex)4Sn13とLa3(Co1-xRhx)4Sn13の元素置換効果 (2021)
  • Author(s): 塩澤真未, 鈴木詩織, 岩佐和晃, 下田愛海, 中里晟也, 橋本大輔, 郡司和毅, 桑原慶太郎, 石角元志, 中尾裕則, 佐賀山基, 髭本亘, 伊藤孝
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 反強磁性体CeSbの「悪魔の階段」と共に発達する磁気ポーラロン状態の観測 (2020)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, Z. H. Tin, 櫻木俊輔, C. Bareille, 明比俊太朗, 黒川輝風, 木下雄斗, W. L. Zhang, 辛埴, 徳永将史, 宮坂茂樹, 田島節子, 芳賀芳範, 北澤英明, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] カイラル半金属Ce3Rh4Sn13の構造相転移と磁性におけるRu置換効果の研究 (2020)
  • Author(s): 橋本大輔, 岩佐和晃, 中里晟也, 塩澤真未, 桑原慶太郎, 石角元志, 中尾裕則, 佐賀山基, 河村聖子, 村井直樹, 中島健次
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] La3(Co1-xFex)4Sn13のカイラル構造相転移と超伝導 (2020)
  • Author(s): 塩澤真未, 岩佐和晃, 中里晟也, 橋本大輔, 桑原慶太郎, 石角元志, 中尾裕則, 佐賀山基, 髭本亘, 伊藤孝
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] キラル構造を持つ超伝導体La3Co4Sn13および関連物質のNQR測定による研究 (2020)
  • Author(s): 永瀬裕也, 真砂全宏, 小手川恒, 藤秀樹, 塩沢真未, 橋本大輔, 中里晟也, 岩佐和晃
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Ce3Ir4Sn13におけるカイラル構造相転移と磁気状態 (2020)
  • Author(s): 岩佐和晃, 中里晟也, 橋本大輔, 塩澤真未, 桑原慶太郎, 中尾裕則, 佐賀山基, 石角元志, 大原高志, 中尾朗子, 宗像孝司, 鬼柳亮嗣, F. Damay, J.-M. Mignot, 河村聖子, 村井直樹, 中島健次
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Ce3T4Sn13(T=Co,Rh,Ru,Ir)におけるカイラル構造相転移と電子状態 (2020)
  • Author(s): 岩佐和晃
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会「中性子散乱研究の現状とJRR－3再稼働後の展望」
  • Invited
• [Presentation] Effects of chiral-crystal-structure transformations on magnetic states and superconductivity in R3T4Sn13 (R = La and Ce, T = transition metal) (2020)
  • Author(s): Kazuaki Iwasa
  • Organizer: Virtual Theoretical & Experimental Magnetism Meeting (vTEMM) 2020 and UK-Japan Workshop on Strongly Correlated Electron Systems
  • Invited
• [Remarks] 茨城大学フロンティア応用原子科学研究センター 物質構造物理研究室
  • URL: http://msp.fas.ibaraki.ac.jp/index.html
• [Remarks] http://msp.fas.ibaraki.ac.jp/index.html