キタエフスピン液体候補物質におけるトポロジカル相転移探索

• Project/Area Number: 20H02600
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Tohoku University (2021-2022); The University of Tokyo (2020)
• Principal Investigator: 水上 雄太 東北大学, 理学研究科, 准教授 (80734095)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
• Keywords: キタエフ模型 / マヨラナ粒子 / 比熱測定 / 磁場角度回転 / トポロジカル相 / 量子スピン液体 / マヨラナフェルミオン / トポロジカル転移 / 微小単結晶 / トポロジカル相転移 / マヨラナ励起 / フラストレーション / 長時間緩和法 / 比熱 / 磁場角度回転比熱

Outline of Research at the Start

本研究においては、複数のキタエフ量子スピン液体候補物質に対して磁場中の精密比熱測定を行い、その温度依存性から準粒子の励起を調べる。とりわけトポロジカル相を規定する励起ギャップの磁場角度依存性を明らかにする。これにより励起が変化すると期待されるトポロジカル相転移を検出し、現実の物質における詳細な相図を構築することでキタエフ量子スピン液体やその準粒子励起に対する理解を飛躍的に向上させる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、キタエフ模型において期待されるマヨラナ粒子のバルク状態の性質を調べることを目的としている。近年、キタエフ量子スピン液体候補物質であるalpha-RuCl3において、熱ホール効果を始めとしてマヨラナ粒子の存在を示す結果が報告されている。熱ホール効果は、マヨラナ粒子のエッジ流により生ずることが当初理論的に予測されており、その後実験的に報告された。一方、バルク・エッジ対応として、このエッジ状態に対するバルク状態が存在するが、そのバルク状態の詳細な励起構造はまだ明らかになっていなかった。
本研究では、精密な比熱測定を磁場角度回転環境下で行うことで、マヨラナ粒子のバルク状態の磁場角度に対する励起構造変化を調べた。試料の磁場角度に対する高精度な変化を検出するためには、単一単結晶を対象とした測定が望ましく、その場合は高感度な熱量計が必要となる。本研究では、ナノグラム級試料に対して磁場角度回転環境下で測定可能な高感度な熱量計を構築し測定を行った。
その結果、alpha-RuCl3においてa軸と等価な方向では、励起ギャップが開いている一方、b軸と等価な方向にはディラック型の分散を反映したギャップレスな励起が生ずることが明らかとなった。磁場を蜂の巣格子面内で角度変化させる場合においては、6つのギャップレスな方向を持つ6回対称性を持つ励起ギャップと、それを反映した比熱の振動が観測された。これは、キタエフ模型において予測されるマヨラナ粒子の励起ギャップと一致しており、そのバルク状態を実験的に明らかにしたと言える。
一方、10T以上のより高磁場領域においてはキタエフ量子スピン液体状態から少し外れる振る舞いを観測しており、今後の研究によりその起源を明らかにする必要がある。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Sciences(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Colorado at Boulder(米国)
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Radboud University(オランダ)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Bulk evidence of anisotropic s-wave pairing with no sign change in the kagome superconductor CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Roppongi M.、Ishihara K.、Tanaka Y.、Ogawa K.、Okada K.、Liu S.、Mukasa K.、Mizukami Y.、Uwatoko Y.、Grasset R.、Konczykowski M.、Ortiz B. R.、Wilson S. D.、Hashimoto K.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 667-667
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36273-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Double dome structure of the Bose-Einstein condensation in diluted S=3/2 quantum magnets (2023)
  • Author(s): Watanabe Yoshito、Miyake Atsushi、Gen Masaki、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada、Ikeda Akihiko、Tokunaga Masashi、Kurumaji Takashi、Tokunaga Yusuke、Arima Taka-hisa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1260-1260
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36725-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pure nematic quantum critical point accompanied by a superconducting dome (2022)
  • Author(s): Ishida Kousuke、Onishi Yugo、Tsujii Masaya、Mukasa Kiyotaka、Qiu Mingwei、Saito Mikihiko、Sugimura Yuichi、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 18
  • DOI: 10.1073/pnas.2110501119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Charge Transport in Ba1-xRbxFe2As2 Single Crystals (2022)
  • Author(s): Tsujii Masaya、Ishida Kousuke、Ishida Shigeyuki、Mizukami Yuta、Iyo Akira、Eisaki Hiroshi、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 10 Pages: 104706-104706
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.104706
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strongly correlated superconductivity in a copper-based metal-organic framework with a perfect kagome lattice (2021)
  • Author(s): Takenaka T.、Ishihara K.、Roppongi M.、Miao Y.、Mizukami Y.、Makita T.、Tsurumi J.、Watanabe S.、Takeya J.、Yamashita M.、Torizuka K.、Uwatoko Y.、Sasaki T.、Huang X.、Xu W.、Zhu D.、Su N.、Cheng J.-G.、Shibauchi T.、Hashimoto K.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 12
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3996
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bond Directional Anapole Order in a Spin-Orbit Coupled Mott Insulator Sr2(Ir1-xRhx)O4 (2021)
  • Author(s): H. Murayama, K. Ishida, R. Kurihara, T. Ono, Y. Sato, Y. Kasahara, H. Watanabe, Y. Yanase, G. Cao, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and S. Kasahara
  • Journal Title: Phys. Rev. X Volume: 11 Issue: 1 Pages: 011021-011021
  • DOI: 10.1103/physrevx.11.011021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Pressure Phase Diagrams of FeSe1-xTex: Correlation between Suppressed Nematicity and Enhanced Superconductivity (2021)
  • Author(s): K. Mukasa, K. Matsuura, M. Qiu, M. Saito, Y. Sugimura, K. Ishida, M. Otani, Y. Onishi, Y. Mizukami, K. Hashimoto, J. Gouchi, R. Kumai, Y. Uwatoko, and T. Shibauchi
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 12 Issue: 1 Pages: 381-381
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20621-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suppression of Anharmonic Phonons and s-Wave Superconductivity by Defects in the Filled Skutterudite LaRu4As12 (2020)
  • Author(s): Y. Mizukami, M. Konczykowski, O. Tanaka, J. Juraszek, Z. Henkie, T. Cichorek, and T. Shibauchi
  • Journal Title: Phys. Rev. Res. Volume: 2 Issue: 4 Pages: 043428-043428
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043428
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dichotomy Between Orbital and Magnetic Nematic Instabilities in BaFe2S3 (2020)
  • Author(s): S. Hosoi, T. Aoyama, K. Ishida, Y. Mizukami, K. Hashizume, S. Imaizumi, Y. Imai, K. Ohgushi, Y. Nambu, M. Kimata, S. Kimura, and T. Shibauchi
  • Journal Title: Phys. Rev. Res. Volume: 2 Issue: 4 Pages: 043293-043293
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043293
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bose-Einstein Condensation Superconductivity Induced by Disappearance of the Nematic State (2020)
  • Author(s): T. Hashimoto, Y. Ota, A. Tsuzuki, T. Nagashima, A. Fukushima, S. Kasahara, Y. Matsuda, K. Matsuura, Y. Mizukami, T. Shibauchi, S. Shin, and K. Okazaki
  • Journal Title: Sci. Adv. Volume: 6 Issue: 45
  • DOI: 10.1126/sciadv.abb9052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-Fermi Liquid Transport in the Vicinity of the Nematic Quantum Critical Point of Superconducting FeSe1-xSx (2020)
  • Author(s): W. K. Huang, S. Hosoi, M. Culo, S. Kasahara, Y. Sato, K. Matsuura, Y. Mizukami, M. Berben, N. E. Hussey, H. Kontani, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Phys. Rev. Res. Volume: 2 Issue: 3 Pages: 033367-033367
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033367
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Divergent Nematic Susceptibility near the Pseudogap Critical Point in a Cuprate Superconductor (2020)
  • Author(s): Kousuke Ishida, Suguru Hosoi, Yuki Teramoto, Tomohiro Usui, Yuta Mizukami, Kenji Itaka, Yuji Matsuda, Takao Watanabe, and Takasada Shibauchi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 6 Pages: 064707-064707
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.064707
  • NAID: 40022254195
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 少数キャリア半金属 CeX における強相関電子状態 (2023)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 筒井智嗣, 田中宏明, Yuyang Dong, 岩田拓万, 片山和郷, 水上雄太, 平井大悟郎, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 宮坂茂樹, 田島節子, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 磁場角度分解抵抗測定を用いた正方晶Fe(Se,S)におけるネマティック超伝導状態の検証 (2023)
  • Author(s): 近藤玲央名, 石原滉大, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 不純物効果を用いたFe(Se,S)の超伝導ギャップ構造の研究 (2023)
  • Author(s): 永島拓也, 石原滉大, 小林雅之, 六本木雅生, 松浦康平, 水上雄太, Romain Grasset, Marcin Konczykowski, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 18%S置換FeSeの超伝導状態における異常なスピン揺らぎ (2023)
  • Author(s): Z.-Y.Yu, 中村昂矢, 猪股和也, 御栗丈虎, 沈暁玲, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] FeSe系超伝導体におけるマルチバンドBCS-BECクロスオーバー (2022)
  • Author(s): 水上雄太
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] カゴメ格子系超伝導体CsV3Sb5における超伝導対称性 (2022)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 田中優之介, 小河弘樹, 岡田昂, 劉蘇鵬, 向笠清隆, 水上雄太, 上床美也, R. Grasset, M. Konczykowski, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] カゴメ格子超伝導体CsV3Sb5におけるネマティック感受率測定 (2022)
  • Author(s): 大西朝登, 影山遥一, 六本木雅生, 水上雄太, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 極低温磁場角度分解比熱測定によるキタエフ候補物質 α-RuCl3におけるマヨラナ励起の検証 (2022)
  • Author(s): 今村薫平, 水上雄太, 吉田悠生, 橋本顕一郎, 栗田伸之, 田中秀数, 藤本聡, 山田昌彦, 松田祐司, E.-G. Moon, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Kitaev候補物質Na2Co2TeO6における磁場中比熱の角度依存性 (2022)
  • Author(s): Shengjie Fang, 水上雄太, 今村薫平, 難波隆一, 石原滉大, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] NMRから見たS置換FeSe系の超伝導状態での異常なスピン揺らぎ (2022)
  • Author(s): Z.-Y.Yu, 中村昂矢, 猪股和也, 御栗丈虎, 沈暁玲, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Fe(Se,S)における不純物効果と超伝導ギャップ構造 (2022)
  • Author(s): 石原滉大, 小林雅之, 六本木雅生, 松浦康平, 水上雄太, M. Konczykowski, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 比熱測定から見るキタエフ量子スピン液体のマヨラナ励起 (2021)
  • Author(s): 水上雄太
  • Organizer: ワークショップ（4）「超伝導物質、トポロジカル物質」 SCTM2020
  • Invited
• [Presentation] 強相関超伝導体の電子対形成に関する実験研究 (2021)
  • Author(s): 水上雄太
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Bond directional anapole state in a spin-orbit coupled Mott insulator Sr2(Ir1－xRhx)O4 (2021)
  • Author(s): H. Murayama, K. Ishida, R. Kurihara, T. Ono, Y. Sato, Y. Kasahara, H. Watanabe, Y. Yanase, G. Cao, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and S. Kasahara
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure electronic phase diagrams in FeSe1-xTex (2021)
  • Author(s): K. Mukasa, K. Matsuura, M. Qiu, M. Saito, Y. Sugimura, K. Ishida, M. Otani, Y. Onishi, Y. Mizukami, K. Hashimoto, J. Gouchi, R. Kumai, Y. Uwatoko, and T. Shibauchi
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-energy quasiparticle excitations in the spin-triplet superconductor UTe2 (2021)
  • Author(s): K. Ishihara, M. Roppongi, M. Kobayashi, Y. Mizukami, H. Sakai, Y. Haga, K. Hashimoto, and T. Shibauchi
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-energy quasiparticle excitations in a BiCh2-based superconductor studied by magnetic penetration depth measurements (2021)
  • Author(s): M. Roppongi, K. Ishihara, Y. Mizukami, K. Hashimoto, K. Hoshi, Y. Mizuguchi and T. Shibauchi
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡を用いたSrVO3における強磁性ドメインの観察 (2021)
  • Author(s): 影山遥一, 児玉壮平, 水上雄太, 谷内敏之, 橋本顕一郎, Arnaud Fouchet, Andres F. Santander-Syro, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] スピントリプレット超伝導体UTe2における磁場侵入長測定 (2021)
  • Author(s): 石原滉大, 六本木雅生, 小林雅之, 水上雄太, 橋本顕一郎, 酒井宏典, 芳賀芳範, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Sr2Ir1-xRhxO4におけるボンド方向型アナポール秩序 (2021)
  • Author(s): 笠原成, 村山陽奈子, 石田浩祐, 栗原遼, 小野孝浩, 佐藤雄貴, 笠原裕一, 渡邉光, 柳瀬陽一, G. Cao, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] BiCh2系超伝導体における磁場侵入長測定 (2021)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 水上雄太, 星和久, 水口佳一, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3におけるトポロジカル相転移の探索 (2021)
  • Author(s): 鵜飼柚希, 笠原裕一, 末次祥大, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における磁場中比熱の異方性 (2021)
  • Author(s): 原澤龍平, 田中桜平, 水上雄太, 栗田伸之, 田中秀数, 山田昌彦, 藤本聡, 笠原裕一, 松田祐司, Eun-Gook Moon, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] キタエフ物質α-RuCl3における電子線照射の影響 (2021)
  • Author(s): 今村薫平, 田中桜平, 水上雄太, 原澤龍平, 橋本顕一郎, 栗田伸之, 田中秀数, 山田昌彦, 藤本聡, 松田祐司, E.-G. Moon, M. Konczykowski, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光によるFe(Se, S)の非ネマティック相における超伝導状態の研究 (2021)
  • Author(s): 長島椿, 橋本嵩広, Sahand Najafzadeh, 大内俊一郎, 鈴木剛, 福島昭子, 笠原成, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝 禎, 辛埴, 岡﨑浩三
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] FeSe1-xTexの単結晶試料合成と電子相図の研究 (2020)
  • Author(s): 斎藤三樹彦, 松浦康平, 向笠清隆, 杉村優一, 大谷椋, M. Qiu, 石田浩祐, 大西由吾, 水上雄太, 橋本顕一郎, 熊井玲児, 郷地順, 上床美 也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xTexの圧力下電子相図 (2020)
  • Author(s): 向笠清隆, 松浦康平, 杉村優一, 大谷椋, M. Qiu, 斎藤三樹彦, 石田浩祐, 大西由吾, 水上雄太, 橋本顕一郎, 郷地順, 上床美也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 鉄系超伝導体Fe(Se,Te)におけるネマティック量子臨界点 (2020)
  • Author(s): 石田浩祐, 大西由吾, 辻井優哉, 向笠清隆, M. Qiu, 斎藤三樹彦, 松浦康平, 杉村優一, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] FeSe1-xSx (x = 0.18)における高圧下77Se-NMR測定 (2020)
  • Author(s): 中村昂矢, 桑山昂典, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] FeSe1-xSx (x = 0.05)における高圧下77Se-NMR測定 (2020)
  • Author(s): 猪股和也, 中村昂矢, 桑山昂典, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/yutamizukamipage/home
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/yutamizukamipage/home
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/yutamizukamipage/publication