極限定常磁場下での精密熱輸送測定の実装とエキゾチック凝縮相の物性開拓

• Project/Area Number: 22KK0036
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 笠原 成 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (10425556)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木原 工 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (80733021) ; 今城 周作 東京大学, 物性研究所, 特任助教 (30825352)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000); Fiscal Year 2027: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2026: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 強磁場物性測定 / 熱輸送 / 強相関電子系 / エキゾチック凝縮相 / ネマティック相 / ハイブリッド磁場 / 強磁場

Outline of Research at the Start

強相関電子系で実現する特異な量子凝縮相や新奇電子状態の探索と解明は、凝縮系物理学における中心課題の一つである。本研究では、欧州強磁場研究所(European Magnetic Field Laboratory: EMFL)における強磁場実験、特に、オランダ・Nijmegen強磁場研究所における極限定常磁場下での精密熱輸送測定を基盤としたエキゾチック凝縮相の探索と解明に取り組む。『強磁場熱測定』に精通した国内屈指の若手から中堅で構成される当該分野のエキスパートが、国際ネットワークを構築し、40T超の定常磁場実験が新たな潮流となる時代の転換期において、強磁場物性科学のフロンティアを切り拓く。

Outline of Annual Research Achievements

強相関電子系で実現する特異な量子凝縮相や新奇電子状態の探索と解明は、凝縮系物理学における中心課題の一つである。本研究では、強磁場における物性測定、特に、オランダ・Nijmegen 強磁場研究所での極限定常磁場下における未踏の熱輸送測定の実装と、これを基盤としたエキゾチック凝縮相の探索と解明に取り組むことを中心課題としている。本年度は、国内において研究準備を進めるともに、Nijmegen強磁場研究所のNigel Hussey教授との共同研究に取り組んだ。熱輸送測定セルの設計・開発を進めるとともに、鉄系超伝導体FeSe1-xSxについて、Nijmegen強磁場研究所での系統的な輸送現象測定をおこなった。これによって、FeSe1-xSxのx>0.17の非ネマティック相において、面平行磁場下での輸送現象測定から、渦糸格子が融解した渦糸液体状態が極めて低温の広い磁場温度領域に渡って存在していることが明らかになった。これは量子揺らぎにより渦糸格子が融解した量子渦糸液体状態がこの系において実現していることを強く示している。一方、FeSe1-xTexにおける強磁場測定との対比からは、FeSe1-xSxでの量子渦糸液体状態は、ネマティック相や磁気相の量子臨界揺らぎに起因するものではなく、超伝導状態そのものの"虚弱性"に起因していると考えらえることが明らかになった。これは非ネマティック相のFeSe1-xSxにおいて実現していると考えられるボゴリューボフ・フェルミ面、即ち、超伝導状態においてもクーパー対を組むことがない準粒子が創り出す特異なフェルミ面の存在が関連しているものと思われる。本年はこれらの結果の公表に加えて、更に、FeSe1-xSxにおける渦糸液体状態と超伝導揺らぎに関する実験を進め、渦糸液体状態における熱揺らぎ領域から量子揺らぎ領域へのクロスオーバーを観測した。今後、より極低温・強磁場領域での測定を進め、温度磁場相図の全体像を明らかにしていく。

Current Status of Research Progress

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

Reason

FeSe1-xSxにおいて、Nijmegen強磁場研究所での輸送現象測定により、量子渦糸液体状態の存在や、FeSe1-xTeｘでのネマティック揺らぎによる超伝導ペアリング強度など、興味深い結果の理解が進んでいる。また渦糸液体状態の熱活性領域から量子揺らぎ領域へのクロスオーバーも明らかになりつつあり、研究はおおむね順調と判断する。

Strategy for Future Research Activity

輸送現象測定、比熱測定、熱輸送測定を駆使することにより、FeSe1-xSxにおける強い超伝導揺らぎの存在と量子渦糸液体状態の特徴を明らかにしていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Nijmegen強磁場研究所(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Bristol Univ.(英国)
• [Int'l Joint Research] Institute of Physics(クロアチア)
• [Int'l Joint Research] Nijmegen強磁場研究所(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Bristol Univ.(英国)
• [Int'l Joint Research] Institute of Physics(クロアチア)
• [Journal Article] Transport evidence for twin-boundary pinning of superconducting vortices in FeSe (2024)
  • Author(s): Terashima Taichi、Fujii Hideaki、Matsushita Yoshitaka、Uji Shinya、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada、Kasahara Shigeru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 109 Issue: 1 Pages: 014518-014518
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.014518
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Expanded quantum vortex liquid regimes in the electron nematic superconductors FeSe1?xSx and FeSe1?xTex (2023)
  • Author(s): Culo M.、Licciardello S.、Ishida K.、Mukasa K.、Ayres J.、Buhot J.、Hsu Y.-T.、Imajo S.、Qiu M. W.、Saito M.、Uezono Y.、Otsuka T.、Watanabe T.、Kindo K.、Shibauchi T.、Kasahara S.、Matsuda Y.、Hussey N. E.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 4150-4150
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39730-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin fluctuations from Bogoliubov Fermi surfaces in the superconducting state of S-substituted FeSe (2023)
  • Author(s): Yu Zhongyu、Nakamura Koya、Inomata Kazuya、Shen Xiaoling、Mikuri Taketora、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada、Uwatoko Yoshiya、Fujiwara Naoki
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 6 Issue: 1 Pages: 175-175
  • DOI: 10.1038/s42005-023-01286-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusual crossover from Bardeen-Cooper-Schrieffer to Bose-Einstein-condensate superconductivity in iron chalcogenides (2023)
  • Author(s): Mizukami Yuta、Haze Masahiro、Tanaka Ohei、Matsuura Kohei、Sano Daiki、B?ker Jakob、Eremin Ilya、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 6 Issue: 1 Pages: 183-183
  • DOI: 10.1038/s42005-023-01289-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting gap structure of tetragonal FeSe1-xSx under high pressures (2023)
  • Author(s): S. Kasahara, K. Akiba, T. Kihara, H. Fujii, S. Kiyama, T.C. Kobayashi
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xSxにみるエキゾチック超伝導 (2023)
  • Author(s): 笠原成
  • Organizer: 研究会「強相関電子系のフロンティア」
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xSxにおける圧力下交流比熱測定 (2023)
  • Author(s): 笠原成, 秋葉和人, 藤井秀朗, 細田龍之介, 小林達生, 木原工
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Presentation] Superconducting gap structure of tetragonal FeSe1-xSx under high pressures (2023)
  • Author(s): S. Kasahara
  • Organizer: The 36th International Symposium on Superconductivity (ISS2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xSxのエキゾチック量子凝縮状態と強磁場相図 (2023)
  • Author(s): 笠原成
  • Organizer: 強磁場科学研究会
• [Presentation] ウルトラノーダル状態を示す鉄系超伝導体FeSe1-xSxの超伝導ギャップ (2023)
  • Author(s): 笠原成
  • Organizer: 第29回渦糸物理ワークショップ