Research on the mechanism of exotic superconductivity coupled with quantum critical fluctuations

• Project/Area Number: 20K03852
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 横山 淳 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (70361285)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 量子臨界現象 / 超伝導 / 磁気秩序 / 量子臨界揺らぎ

Outline of Research at the Start

本研究では、エキゾチック超伝導体CeCoIn5が示す異常な超伝導物性「磁気変調を伴う超伝導相(Q相)」や「レゾナンスピーク」の機構と、それらに対する量子臨界揺らぎの役割の解明を目指す。研究手法として、CeCoIn5のZnイオンおよびNiイオン置換系に対して巨視・微視測定を行い、それらが示す磁気秩序や非フェルミ液体状態に関する物性を明らかにする。さらに、イオン置換量を制御することによって、磁気秩序や非フェルミ液体状態の性質とCeCoIn5が持つ異常超伝導状態の相関を明らかにし、量子臨界現象がもたらす異常な超伝導物性の発現に関して包括的に理解する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、エキゾチック超伝導体CeCoIn5が示す異常な超伝導物性「磁気変調を伴う超伝導相(Q相)」や「レゾナンスピーク」の機構と、それらに対する量子臨界揺らぎの役割を解明するため、CeCoIn5のZnイオンおよびNiイオン置換系に対して巨視・微視的研究を行っている。特に、イオン置換量を制御することによって、磁気秩序や非フェルミ液体状態の性質やそれと異常超伝導状態の相関を明らかにすることを目指している。
前年度までに、ミュオンスピン緩和などの先端的微視測定によって、CeCoIn5のZnイオン置換系では低磁場領域で超伝導相内に反強磁性量子臨界点が存在し、そこでは超伝導の磁場侵入長が発散傾向を示すことを発見した。今年度は、量子ビームである中性子を用いた極低温実験によって、超伝導相内に上記の反強磁性量子臨界点が存在することを強く示唆する実験結果を得ることができ、上記成果を異なる量子プローブによって確認することができた。さらに量子臨界揺らぎや超伝導発現に寄与する磁気秩序のスピン構造を決定した。これらの結果は、超伝導相内に絶対零度での2次相転移である量子臨界点が共存でき、その周りでの量子スピン揺らぎは超伝導電子対形成と本質的に結びついていることを示す証拠であり、構造転移などの他の要素を含まない純粋な磁気量子臨界点が超伝導相と共存することを、強相関超伝導体で初めて発見した成果である。それら研究成果は大規模国際会議にて口頭発表したほか、国際的な学術雑誌に論文を投稿する準備を行っている。また、CeCoIn5のNi置換系では極低温伝導測定によって磁気的量子臨界点と超伝導上部臨界磁場との関係性を明らかにした。こちらの成果は現在、論文として国際的な学術雑誌に投稿中である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フランス原子力庁/グルノーブル・アルプ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学/ロスアラモス国立研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] 浙江大学(中国)
• [Int'l Joint Research] フランス原子力庁/グルノーブル・アルプ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] ロスアラモス国立研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] フランス原子力庁(フランス)
• [Int'l Joint Research] ロスアラモス国立研究所/国立強磁場研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] フランス原子力庁(フランス)
• [Int'l Joint Research] ロスアラモス国立研究所/国立強磁場研究所(米国)
• [Journal Article] Modulation vector of the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in CeCoIn 5 revealed by high-resolution magnetostriction measurements (2023)
  • Author(s): S. Kittaka, Y. Kono, K. Tsunashima, D. Kimoto, M. Yokoyama, Y. Shimizu, T. Sakakibara, M. Yamashita, K. Machida
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 107 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l220505
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Evolution of the electronic structure and correlations accompanied by suppression of itinerant ferromagnetism in Sr1-x(La0.5K0.5)xRuO3 (2022)
  • Author(s): Kawasaki Ikuto、Fujimori Shin-ichi、Takeda Yukiharu、Yamagami Hiroshi、Rahmanto、Honma Yutoku、Matsuoka Kensuke、Yokoyama Makoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.195122
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurement of the evolution of magnetism and superconductivity toward the quantum critical point (2022)
  • Author(s): Higemoto Wataru、Yokoyama Makoto、Ito Takashi U.、Suzuki Taiga、Raymond Stephane、Yanase Youichi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 49
  • DOI: 10.1073/pnas.2209549119
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nested antiferromagnetic spin fluctuations and non-Fermi-liquid behavior in electron-doped CeCo1-xNixIn5 (2022)
  • Author(s): Sakai H.、Tokunaga Y.、Kambe S.、Zhu J.-X.、Ronning F.、Thompson J. D.、Kotegawa H.、Tou H.、Suzuki K.、Oshima Y.、Yokoyama M.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 23 Pages: 235152-1
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.235152
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nature of field-induced antiferromagnetic order in Zn-doped CeCoIn5 and its connection to quantum criticality in the pure compound (2022)
  • Author(s): Yokoyama Makoto、Honma Yutoku、Oshima Yoshiki、Rahmanto、Suzuki Kohei、Tenya Kenichi、Shimizu Yusei、Aoki Dai、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Nakamura Shota、Kono Yohei、Kittaka Shunichiro、Sakakibara Toshiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 5 Pages: 054515-054515
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.054515
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanoscale heterogeneity induced by nonmagnetic Zn dopants in the quantum critical metal CeCoIn5: 115In NQR/NMR and 59Co NMR study (2021)
  • Author(s): Sakai H.、Tokunaga Y.、Kambe S.、Zhu J.-X.、Ronning F.、Thompson J. D.、Ramakrishna S. K.、Reyes A. P.、Suzuki K.、Oshima Y.、Yokoyama M.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 8 Pages: 0851061-12
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.085106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Avoided quantum criticality and cluster-glass formation in itinerant ferromagnet Sr1-x(La0.5K0.5)xRuO3 (2020)
  • Author(s): Iwahara Ryoya、Sugawara Ryoma、Rahmanto、Honma Yutoku、Matsuoka Kensuke、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Tenya Kenichi、Yokoyama Makoto
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 4 Issue: 7
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.074404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strong magnetic anisotropy and unusual magnetic field reinforced phase in URhSn with a quasi-kagome structure (2020)
  • Author(s): Shimizu Yusei、Miyake Atsushi、Maurya Arvind、Honda Fuminori、Nakamura Ai、Sato Yoshiki J.、Li Dexin、Homma Yoshiya、Yokoyama Makoto、Tokunaga Yo、Tokunaga Masashi、Aoki Dai
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 13 Pages: 1344111-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.134411
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ホール抵抗測定で探るNi置換したCeCoIn5のキャリアドープ効果と量子臨界現象 (2024)
  • Author(s): 小泉遼介, 矢代安澄, 高橋哲平, 清水悠晴, 青木大, 天谷健一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] CaRuO3のLa0.5K0.5イオン置換系における非フェルミ液体からフェルミ液体へのクロスオーバー (2024)
  • Author(s): 海老澤秀明, 塩澤悠花, 杉谷美奈, 松尾晶, 金道浩一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 重い電子超伝導体CeCoIn5のZnイオン置換系における反強磁性秩序と量子臨界現象 (2023)
  • Author(s): 横山淳
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
  • Invited
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCo1－xNixIn5の超伝導抑制と結晶格子の関連 (2023)
  • Author(s): 小泉遼介, 井能楓, 矢代安澄, 杉谷美奈, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Ni置換したCeCoIn5の超伝導相近傍で発達する量子臨界ゆらぎ (2023)
  • Author(s): 矢代安澄, ラフマント, 鈴木康平, 清水悠晴, 本多史憲, 青木大, 天谷健一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Ni置換したCeCoIn5における量子臨界性の磁場角度依存性 (2023)
  • Author(s): 井波駆, 橘高俊一郎, 河野洋平, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Ce(Co1－xNix)In5の超伝導状態のミュオンスピン回転法による観測 (2023)
  • Author(s): 髭本亘, 横山淳, 中野裕章, 高久雅暉, 宮田侑, 伊藤孝
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 比熱や磁化測定から見るCeCo(1－x)NixIn5の量子臨界揺らぎ (2023)
  • Author(s): 高橋哲平, 鈴木康平, 横山淳, 松尾晶, 金道浩一, 中村翔太, 清水悠晴, 榊原俊郎
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Zn イオン置換したCeCoIn5 の超伝導と反強磁性秩序の共存 (2023)
  • Author(s): 井能楓, 小日向実佳, 細貝明日香, 岩佐和晃, 大山研司, 松尾晶, 金道浩一, 天谷健一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Weyl-Kondo Semimetal Behavior in the Chiral Structure Phase of Ce3Rh4Sn13 (2023)
  • Author(s): K. Iwasa, K. Suyama, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, S. Raymond, P. Steffens, A. Yamada, T. D. Matsuda, Y. Aoki, I. Kawasaki, S.-i. Fujimori, H. Yamagami, and M. Yokoyama
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron-Scattering Study for Antiferromagnetic Order in Zn-doped CeCoIn5 (2023)
  • Author(s): K. Inoh, A. Yashiro, A. Hosogai, R. Koizumi, H. Ebisawa, T. Takahashi, I. Kawasaki, D. Okuyama, Hung-Cheng Wu, T. J. Sato, K. Iwasa, K. Ohoyama, S. Raymond, K. Tenya, and M. Yokoyama
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lattice Properties in Heavy-fermion Superconductor CeCo1－xNixIn5 (2023)
  • Author(s): R. Koizumi, K. Inoh, A. Yashiro, and M. Yokoyama
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場角度分解磁歪測定から探るCeCoIn5のFFLO相転移 (2023)
  • Author(s): 橘高俊一郎, 綱島海斗, 木元大介, 河野洋平, 清水悠晴, 山下穣, 榊原俊郎, 横山淳, 町田一成
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] ミュオンで見たZn置換CeCoIn5の超伝導状態における磁性 (2023)
  • Author(s): 髭本亘, 横山淳, 伊藤孝, 中野裕章, 鈴木泰雅, Stephane Raymond, 栁瀬陽一
  • 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 (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] Ni置換したCeCoIn5の超伝導消失と量子臨界ゆらぎ (2023)
  • Author(s): 矢代安澄, ラフマント, 鈴木康平, 清水悠晴, 本多史憲, 青木大, 天谷健一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCo1-xNixIn5の結晶格子特性 (2023)
  • Author(s): 小泉遼介, 井能楓, 矢代安澄, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 重い電子超伝導体CeCo1-xNixIn5の結晶格子特性 (2022)
  • Author(s): 小泉遼介, 矢代安澄, 井能楓, 鈴木康平, 横山淳
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
• [Presentation] CeCoIn5における磁場誘起非フェルミ液体異常のNi置換効果 (2022)
  • Author(s): 矢代安澄, Rahmanto, 鈴木康平, 井能楓, 清水悠晴, 青木大, 横山淳
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
• [Presentation] CeCo1-xNixIn5の量子臨界揺らぎと超伝導上部臨界磁場 (2022)
  • Author(s): 横山淳
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
  • Invited
• [Presentation] 重い電子超伝導体CeCo1－xNixIn5の量子臨界揺らぎ (2021)
  • Author(s): 横山淳
  • Organizer: 東北大学大洗・アルファ合同研究会
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCoIn5におけるNi置換効果とZn置換効果 (2021)
  • Author(s): 酒井宏典, 徳永陽, 芳賀芳範, 神戸振作, J.-X. Zhu, F. Ronning, S. K. Ramakrishna, A. P. Reyes, 小手川恒, 藤秀樹, 鈴木康平, 大島佳樹, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] CeCoIn5の量子臨界揺らぎとZn置換系における磁場誘起反強磁性の関係 (2021)
  • Author(s): 横山淳, 本間友徳, 大島佳樹, ラフマント, 鈴木康平, 天谷健一, 清水悠晴, 青木大, 松尾晶, 金 道浩一, 中村翔太, 河野洋平, 橘高俊一郎, 榊原俊郎
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCoIn5におけるNi置換効果のNMR (2021)
  • Author(s): 酒井宏典, 徳永陽, 芳賀芳範, 神戸振作, J.-X. Zhu, F. Ronning, 小手川恒, 藤秀樹, 鈴木康平, 大島佳樹, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 重い電子超伝導体CeCoIn5における縦波弾性定数の静水圧依存性 (2021)
  • Author(s): 徳永淳志, 佐藤晴耕, 赤津光洋, 根本祐一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Relationship between quantum critical fluctuations and anomalous superconductivity in CeCoIn5 and its ionic substitutions (2020)
  • Author(s): Makoto Yokoyama
  • Organizer: GIMRT Joint International Symposium on Radiation Effects in Materials and Actinide Science (GIMRT-REMAS2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] CeCo(In1-xZnx)5のZn濃度-温度-磁場相図 (2020)
  • Author(s): 長谷川奈那, 田山孝, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 重い電子超伝導体CeCoIn5の弾性的性質に対する圧力効果 (2020)
  • Author(s): 徳永淳志, 佐藤晴耕, 赤津光洋, 根本祐一, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCoIn5においてZn置換による不均一電子状態 (2020)
  • Author(s): 酒井宏典, 徳永陽, 芳賀芳範, 神戸振作, J.-X. Zhu, F. Ronning, S. K. Ramakrishna, A. P. Reyes, 鈴木康平, 大島佳樹, 横山淳
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Remarks] 素粒子ミュオンで捉えた！超伝導に埋もれた微弱な磁気の発見 ―超伝導発現機構の解明に向けて前進―
  • URL: https://www.ibaraki.ac.jp/news/uploads/2022/11/PressRelease_QuantumCriticalPoint_221129.pdf
• [Remarks] エキゾチック超伝導体CeCoIn5における量子臨界異常の起源を探求
  • URL: http://ltphys.sci.ibaraki.ac.jp/activity-CeCoIn5-Zn-scaling.htm
• [Remarks] 遍歴強磁性の量子臨界性を回避して現れる磁気ナノクラスターグラス状態
  • URL: http://ltphys.sci.ibaraki.ac.jp/activity-SLKRO.htm