Superconductivity beyond "unconventional" in Sr2RuO4
| Project/Area Number |
23K22439
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| Project/Area Number (Other) |
22H01168 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Toyota Physical and Chemical Research Institute |
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Principal Investigator |
前野 悦輝 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (80181600)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
米澤 進吾 京都大学, 工学研究科, 教授 (30523584)
石田 憲二 京都大学, 理学研究科, 教授 (90243196)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
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| Keywords | ルテニウム酸化物 / 非従来型超伝導 / Sr2RuO4 / 磁気光学カー効果 / 磁気共鳴 / カー効果 / 核磁気共鳴 |
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| Outline of Research at the Start |
電子相関の強い典型的な非従来型超伝導体であるSr2RuO4は、その常伝導状態が詳細まで理解できる一方、超伝導状態は発見から30年近く経過しても未解明である。現在有力とされるスピン一重項カイラルd波状態では、層状物質なのに同じ面内で運動する電子間の対ができないという深刻な矛盾がある。この問題の最終的解決に向け、本課題では異方性圧力効果や磁気共鳴などを用いた研究を進める。そして、スピン対称性とパリティ（空間反転対称性）に加えて、新たに軌道間電子対の対称性も考慮した「スピン三重項・偶パリティ・軌道間一重項状態」を軸に説明できるのかどうかを判定する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
層状ルテニウム酸化物Sr2RuO4の超伝導が、これまでの分類での「非従来型」を超える枠組みである、「異なる原子軌道間の電子対形成」による可能性を判定・検証するための研究を進めた。
●１.リフシッツ転移に伴う超伝導状態の変化：一軸性圧力を印加し、リフシッツ転移に対応する超伝導転移温度の増大と減少を観測した。超伝導対称性の決定的な情報を引き出すために、上部臨界磁場の面内異方性の変化を磁化率の測定から詳しく調べ始めた。
●２．時間反転対称性破れ（TRSB）による超伝導2段転移の検証: ミュオンスピン回転の実験を新たに[110]一軸圧印加でも行い、2段転移を観測して論文発表した。2段転移をミュオン以外の手段で検証するため、NMR磁気緩和率1/T1の温度変化から、超伝導ギャップ構造の変化を敏感に検出する実験の準備を進めた。また、TRSBを直接検出する磁気光学カー効果（MOKE）の測定について、カリフォルニア大学アーバイン校(UCI)のグループにSr2RuO4とRu金属の共晶試料を送って共同研究を進めた。なお、京都大学でも低温までのKerr効果測定装置が稼働するようになり、一軸圧実験に取り組む準備ができた。さらに、準粒子トンネル効果により、TRSB相でのみ発生するゼロバイアス・コンダクタンスピークを柏谷（研究協力者）らと調べる実験準備を進めた。
●３.NMRによる超伝導状態の判別： NMRナイトシフトから、新たな枠組みのスピン三重項・軌道間一重項の「擬スピン一重項」と、従来の「スピン一重項」d波との実験的判別に向けて、常圧でのNMRナイトシフトのデータ収集を進めた。これに関連して、上部臨界磁場付近でナイトシフトが分裂することを観測し、「スメクティック液晶のような空間並進対称性を破った超伝導」であるFFLO状態を発見して執筆を進めていた論文が、2022年4月にScienceに掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で設定した3つのアプローチ、●１.リフシッツ転移に伴う超伝導状態の変化；●２．時間反転対称性破れ（TRSB）による超伝導2段転移の検証；●３.NMRによる超伝導状態の判別、のそれぞれで研究を進めた。
１では、京都大学での実験が順調に進展しており、一軸圧印加実験の結果についても日本物理学会で発表した。２では、国際共同研究でミュオン実験に新たな進展が見られて論文発表した。また、圧力下でのNMR実験も関連の超伝導体で成果が上がり、今後の取り組みの準備ができた。３では、2022年4月にサイエンスに論文掲載した成果について、研究を深めている。これらのアプローチでの進捗をもとに、低温物理学国際会議（LT29）をはじめ、いくつかの国際会議での成果発表も行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
●１．一軸圧で誘起されるフェルミ面再構築に伴う超伝導状態の変化： 一軸性圧力印加のもとでの上部臨界磁場の面内異方性の変化を電気抵抗と磁化率の測定から詳しく調べ、リフシッツ転移での超伝導状態の変化を明らかにする。測定結果を京都大学やスイス連邦工科大の理論と合わせて吟味し、フェルミ面再構築にともなう非自明な超伝導現象から、超伝導対称性に関する決定的な情報を引き出す。◆2023年度は、工学研究科に異動した米澤（分担者）の研究室に希釈冷凍機等を移設してデータ収集を進める。
●２．時間反転対称性破れ（TRSB）による超伝導2段転移の検証: 一軸性圧力印加でのミュオンスピン回転の実験で明らかになった、超伝導転移より低温でのTRSB相への転移を複数の方法で検証する。まず一軸圧下でのNMR磁気緩和率1/T1の温度変化から、超伝導ギャップ構造の変化を敏感に検出する。これにはゼロ磁場下でのRuの核四重極共鳴（NQR） を用いる。また、TRSBを直接検出する磁気光学カー効果（MOKE）の測定を進める。さらに、準粒子トンネル効果により、TRSBに伴って発生するゼロバイアス・コンダクタンスピークの一軸圧下での変化を柏谷（研究協力者）らと調べる。◆2023年度は、Ru金属の析出した3-K共晶結晶での常圧での内部一軸歪による超伝導2段転移の有無を明らかにするための走査型MOKE装置を完成させる。また純良結晶でのそれぞれの一軸圧実験に適したピエゾ素子装置と測定系を稼働させる。
●３．NMRによる超伝導状態の判別： 引き続きNMRナイトシフトの温度変化の磁場方向依存性から、新たな枠組みのスピン三重項・軌道間一重項の「擬スピン一重項」と、伝統的な非従来型超伝導状態の「スピン一重項」との実験的判別を狙う。名古屋大学の田仲（研究協力者）らによるスピン磁化率の理論と比較して研究を進める。
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Report
(1 results)
Research Products
(37 results)
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[Presentation] ナノラジアン分解能を持つKerr効果測定の確立と時間反転対称性の破れの模索2022
Author(s)
Soichiro Yamane, Y. Hu, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
Organizer
応用物理学会 量子ビームによる表面界面の光機能探究研究会
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Invited
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[Presentation] High resolution Kerr-effect study for detecting time-reversal symmetry breaking in unconventional ordered states2022
Author(s)
S. Yamane, Y. Hu, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
Organizer
The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
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Int'l Joint Research
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[Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking charge density wave in the Kagome superconductor CsV3Sb52022
Author(s)
Yajian Hu, Soichiro Yamane, Giordano Mattoni, Keito Obata, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
Organizer
The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
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Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking in the charge density wave of CsV3Sb2022
Author(s)
Yajian Hu, Soichiro Yamane, Giordano Mattoni, Keito Obata, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
Organizer
Oxide Superspin 2022
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Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Developments of magneto-optic Kerr-effect measurement techniques for detecting time-reversal symmetry breaking2022
Author(s)
S. Yamane, Y. Hu, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
Organizer
Oxide Superspin 2022
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