Pressure-Induced Superconductivity in Polar Compounds

• Project/Area Number: 20K14396
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Aoyama Takuya 東北大学, 理学研究科, 助教 (80757261)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 鉄系超伝導 / 軌道秩序 / ダイヤモンドアンビルセル / マルチフェロイクス / 圧力誘起超伝導 / 極性構造 / モット転移 / 梯子型化合物 / 強相関電子系

Outline of Research at the Start

本研究課題では梯子型鉄系化合物の純良単結晶の合成と、圧力誘起超伝導転移に関する研究を実施する。特に、空間反転対称性の破れに伴う物性異常の観測と、圧力下における超伝導性との関連を明らかにすることに挑む。これらの研究を通して、多軌道強相関電子系における超伝導の学理構築へ貢献することを目的とする。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we focused on the pressure-induced superconducting phase of BaFe2Se3, an iron-based ladder compound with a polar structure, and investigated the electrical resistivity and magnetotransport properties under pressure. We found that the polar structure caused by orbital ordering is suppressed by the application of pressure of about 4 GPa, and that the normal phase near the pressure-induced superconducting phase exhibits hole-dominant electronic conduction. In addition, we have measured the electrical resistivity, magnetization, optical conductivity, and neutron diffraction of BaFe2(S1-xSex)3, and found that an orbital state flop occurs around x = 0.23. Furthermore, we succeeded in synthesizing BaFe2(S1-xTex)3 as a new material system.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

鉄系超伝導体においては電子相関効果と多軌道性が重要なキーワードと認識されている．一方で鉄系超伝導体の母体は金属であるため，電子相関効果が超伝導相に与える影響は明らかでなかった．本研究で対象とする梯子型鉄系化合物は結晶構造の低次元性に起因して母体がモット絶縁体である．本研究では圧力印加および組成制御を通じたバンド幅制御によってモット絶縁体相から金属絶縁体転移・超伝導相へとアプローチすることで，鉄系超伝導体の電子相図に対して電子相関効果が与える影響を調べた．その結果，より強相関側においては，直交した軌道配列がより安定になることを明らかにした．

Research Products

• [Journal Article] Zigzag magnetic order in the Kitaev spin-liquid candidate material <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>RuBr</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> with a honeycomb lattice (2022)
  • Author(s): Imai Yoshinori、Nawa Kazuhiro、Shimizu Yasuhiro、Yamada Wakana、Fujihara Hideyuki、Aoyama Takuya、Takahashi Ryotaro、Okuyama Daisuke、Ohashi Takamasa、Hagihala Masato、Torii Shuki、Morikawa Daisuke、Terauchi Masami、Kawamata Takayuki、Kato Masatsune、Gotou Hirotada、Itoh Masayuki、Sato Taku J.、Ohgushi Kenya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l041112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure-Induced Superconductivity in Iron-Based Spin-Ladder Compound BaFe2+δ(S1?xSex)3 (2022)
  • Author(s): Takahashi Hiroki、Kikuchi Ryosuke、Kawashima Chizuru、Imaizumi Satoshi、Aoyama Takuya、Ohgushi Kenya
  • Journal Title: Materials Volume: 15 Issue: 4 Pages: 1401-1401
  • DOI: 10.3390/ma15041401
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Persistent Spin-Orbit Mott Insulating State in Highly Compressed Post-Perovskite CaIrO3 (2022)
  • Author(s): Aoyama Takuya、Ohta Kenji、Shimizu Katsuya、Ohgushi Kenya
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 4 Pages: 045003-045003
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.045003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strongly Electron-Correlated Semimetal RuI3 with a Layered Honeycomb Structure (2021)
  • Author(s): Kazuhiro Nawa, Yoshinori Imai, Youhei Yamaji, Hideyuki Fujihara,Wakana Yamada, Ryotaro Takahashi, Takumi Hiraoka, Masato Hagihala, Shuki Torii, Takuya Aoyama, Takamasa Ohashi, Yasuhiro Shimizu, Hirotada Gotou, Masayuki Itoh, Kenya Ohgushi, and Taku J. Sato
  • Journal Title: Jounal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 12 Pages: 123703-123703
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.123703
  • NAID: 210000159466
  • Peer Reviewed
• [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] Successive magnetic transitions and spin structure in the two-leg ladder compound CsFe2Se3 observed by Cs133 and Se77 NMR (2020)
  • Author(s): Murase Mina、Okada Kaoru、Kobayashi Yoshiaki、Hirata Yasuyuki、Hashizume Kazuki、Aoyama Takuya、Ohgushi Kenya、Itoh Masayuki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 1 Pages: 014433-014433
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.014433
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural, electrical, magnetic, and optical properties of iron-based ladder compounds BaFe2(S1?xSex)3 (2020)
  • Author(s): Imaizumi Satoshi、Aoyama Takuya、Kimura Ryota、Sasaki Koya、Nambu Yusuke、Avdeev Maxim、Hirata Yasuyuki、Ikemoto Yuka、Moriwaki Taro、Imai Yoshinori、Ohgushi Kenya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 3 Pages: 035104-035104
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.035104
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-pressure synthesis of heavily hole-doped cuprates Mg1?xLixCu2O3 with quasi-one-dimensional structure (2020)
  • Author(s): Imai Yoshinori、Sasaki Koya、Aoyama Takuya、Shirasaki Kenji、Yamamura Tomoo、Ohgushi Kenya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 24 Pages: 245112-245112
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.245112
  • Peer Reviewed
• [Presentation] スピン・軌道自由度によって空間反転対称性が破れた強相関電子系の研究 (2023)
  • Author(s): 青山拓也
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Pressure-induced orbital switching in iron-based ladder material BaFe2(S1-xSex)3 (2022)
  • Author(s): Takuya Aoyama, Rinto Nojima, Yoshinori Imai, and Kenya Ohgushi
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics(国際学会)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic phase daigrams of iron-based ladder materials BaFe2(S1-xTex)3 (2022)
  • Author(s): K. Kawaguchi, Y. Imai, T. Aoyama, and K. Ohgushi
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 梯子型鉄系化合物BaFe2(S1-xTex)3の高圧下電気抵抗測定 (2022)
  • Author(s): 川口航平, 今井良宗, 青山拓也, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] スピン軌道モット絶縁体α-RuCl3における超高速磁気光学応答 (2022)
  • Author(s): 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 後藤貫太, 中村優斗, 岸田英夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] SrCuTe2O6における線形電気磁気効果の検証 (2022)
  • Author(s): 青山拓也, P. Saeaun, H. C. Wu, 佐藤卓, K. Matan, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 梯子型鉄系化合物BaFe2Se3の磁気輸送特性と圧力誘起超伝導 (2021)
  • Author(s): 青山拓也, 今井良宗, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 梯子型鉄系化合物BaFe2(S1-xTex)3の電子物性 (2021)
  • Author(s): 川口航平, 今井良宗, 青山拓也, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 単結晶BaFe2Se3の圧力下57Fe核共鳴前方散乱法による研究 (2021)
  • Author(s): 神田智弘, 池田修悟, 永澤延元, 今泉聖司, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 小林寿夫
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 弱強磁性を示す遍歴反強磁性体 Ba1-xKxMn2As2 における磁気輸送特性 (2021)
  • Author(s): 星野佑斗, 青山拓也, 工藤真裕, 今井良宗, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 梯子型鉄系化合物BaFe2X3(X = S, Se)の磁気輸送特性 (2021)
  • Author(s): 青山拓也, 今井良宗, 大串研也
  • Organizer: 高圧討論会
• [Presentation] ピエゾ磁気効果の測定系の構築 (2021)
  • Author(s): 小室源，青山拓也，大串研也
  • Organizer: 高圧討論会
• [Presentation] Pressure-induced orbital switching in iron-based ladder material BaFe2(S1- xSex)3 (2021)
  • Author(s): Takuya Aoyama, Rinto Nojima, Yoshinori Imai, and Kenya Ohgushi
  • Organizer: CSEC 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pressure-induced Orbital Switching and Superconductivity in Iron-based Ladder Material, BaFe2(S1-xSex)3 (2021)
  • Author(s): Takuya Aoyama
  • Organizer: 10th Asian Conference on High Pressure Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における超高速スピンダイナミクス III (2021)
  • Author(s): 天野辰哉, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 後藤貫太, 中村優斗, 岸田英夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 層状ハニカム構造を有する半金属RuI3の結晶構造と物性 (2021)
  • Author(s): 那波和宏, 今井良宗, 藤原秀行, 髙橋遼太郎, 萩原雅人, 鳥居周輝, 奥山大輔, 平岡巧, 山田和奏, 青山拓也, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質RuX3 (X = Cl, Br, I)の配位子置換効果 (2021)
  • Author(s): 藤原秀行, 今井良宗, 山田和奏, 平岡巧, 青山拓也, 髙橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 川股隆行, 後藤弘匡, 加藤雅恒, 佐藤卓, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 単結晶BaFe2X3(X=S, Se)の57Fe核共鳴前方散乱法による研究 (2021)
  • Author(s): 神田智弘, 池田修悟, 永澤延元, 今泉聖司, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 小林寿夫
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 梯子型鉄系化合物 BaFe2(S1-xSex)3における圧力下電気抵抗測定 -II (2020)
  • Author(s): 野島綸斗, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] ハニカム格子磁性体RuCl3の光電子分光 (2020)
  • Author(s): 角田卓弥, 島岩泰暉, 溝川貴司, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, N. Saini
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質ルテニウムハライドの高圧合成 (2020)
  • Author(s): 今井良宗, 山田和奏, 藤原秀行, 青山拓也, 髙橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 川股隆行, 後藤弘匡, 加藤雅恒, 佐藤卓, 大串研也
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaev模型候補物質ルテニウムハライドの結晶構造と磁気構造 (2020)
  • Author(s): 高橋遼太郎, 那波和宏, 萩原雅人, 奥山大輔, 鳥居周輝, 今井良宗, 山田和奏, 藤原秀行, 青山拓也, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 梯子型鉄系化合物 BaFe2X3 (X = S および Se) における圧力誘起軌道スイッチング (2020)
  • Author(s): 青山 拓也, 野島 綸人, 山内 徹, 今井 良宗, 大串 研也
  • Organizer: 高圧討論会