| Project/Area Number |
23K22449
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| Project/Area Number (Other) |
22H01178 (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 | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
廣井 善二 東京大学, 物性研究所, 教授 (30192719)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 穣 東京大学, 物性研究所, 准教授 (10464207)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
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| Keywords | スピン軌道結合金属 / NMR / パイロクロア酸化物 / スピン貴軌道結合金属 / 多極子秩序 |
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| Outline of Research at the Start |
金属伝導性を示す物質は何らかの対称性の破れを引き起こすフェルミ液体不安定性を有し、その結果としてさまざまな電子系の秩序状態が出現する。本研究では電子格子相互作用と電子間クーロン相互作用に続く第3の摂動としてスピン軌道相互作用に着目する。大きなスピン軌道相互作用を有する「スピン軌道結合金属」において、どのようなフェルミ液体不安定性が現れるか、どのような対称性の破れを伴う相転移が起こるか、その結果、どのような電子状態が出現するかを明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
Cd2Re2O7は、Re5+イオンが四面体からなるパイロクロア格子をもち、2個の5d電子が遍歴する金属物質となる。Ts1 = 200 Kと Ts2 = 120Kで逐次転移を示し、Tc = 1.0 Kで超伝導になる。結晶構造は高温の立方晶からTs1で空間反転対称性を失い、僅かに歪んで正方晶(Ⅱ相)となり、Ts2で別の正方晶(Ⅲ相)に変化する。昨年度の研究では、対称性の破れを伴う逐次相転移における構造変化を詳細に調べた結果、Ⅱ相、Ⅲ相の間の100-120Kの狭い温度範囲に、これまで知られていなかった直方晶構造F222をもつIX相が存在することを明らかにした。一方、単結晶の111面を用いたラマン散乱実験を行い、第一原理計算結果を合わせて、低温相の対称性を吟味した。また、ランダウ理論に基づき、相転移スキームの定式化を行った結果、これらの逐次相転移が2重縮退したEu型の秩序変数を有する特異なものであることが分かった。通常のヤーンテラー効果に関係する構造相転移では，2種類の構造の一方が選ばれると格子変形により強く安定化されるため、他方が現れることはない。ところがCd2Re2O7では2種類の歪みがほぼ縮退する状況が実現するため、温度変化により複雑な逐次相転移が起こる。この事実はスピン軌道結合金属特有の電子系の不安定性が相転移を支配することを意味し、構造歪みは安定化される多極子の特徴を反映するに過ぎない。ランダウ理論に基づく定式化を通して、2次元的な秩序変数の変化の様子が理解され、IX相の直方晶構造F222が自然に導かれた。これまでに知られているフェルミ液体不安定性とは異なる特徴が現れており、物性物理学の新規な概念に繋がるものと期待される。
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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
昨年度に集中的に行われた精密構造解析の結果は、2023年に、Hirai D, Fukui A, Sagayama H, Hasegawa T, Hiroi Z. Successive phase transitions of the spin-orbit-coupled metal Cd2Re2O7 probed by high-resolution synchrotron x-ray diffraction. J Phys: Condens Matter. 2023;51:035403として出版された。当初の計画であったCdと17O原子核のNMRを併用する実験は徐々に進んでいるが、明確な結論を得るにはまだ時間が必要な状況にある。ラマン散乱実験結果は順調に進められており、ランダウ理論の考察を合わせて現在論文を準備中である。新しいスピン軌道結合金属探索に関しては、NaAlSi、NaAlGe、KAlGeの物質群において、Geを含む物質がスピン軌道相互作用に関わる電子系の不安定性を示す系として研究が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、逐次相転移の起源に迫るため、Cdと17O原子核のNMRを併用する実験を継続して進める。Cd NMRはパリティの破れには鈍感であるが、酸素サイトではパリティが破れるだけでNMR共鳴線が分裂し、さらに対称性の異なる二つの酸素サイトの結果を合わせることによって、低温相のOPを精密に決定できると予想される。そのために、酸素サイトを17Oに置換した高品質のCRO結晶の育成し、これを用いて、山下(分担研究者)、武田(協力)、瀧川(協力)が磁場中精密回転機構を備えた既存のNMR装置により17O核のNMR実験を行う。さらに今後の方針として、新奇なスピン軌道結合金属の探索を推し進める。2023年に石川らが見つけた超伝導体La2IOs2（Tc = 12 K)は新しいスピン軌道結合金属の可能性が高く、その超伝導機構に5d多極子が重要な役割を果していると示唆されている。我々は最近の研究において、NaAlSi、NaAlGe、KAlGeの物質群に注目している。これらは極めて類似した2次元的な結晶・電子構造をもつにも拘わらず、NaAlSiは7Kの超伝導体であるのに対して、NaAlGeは擬ギャップ的な振る舞いをもつ絶縁体となり、その基底状態は大きく異なる。さらにKAlGeは90Kに特異な相転移を示すことが分かったが、その起源は明らかではない。これらは共通してSi/Geの特異なホールバンドをもち、スピン軌道相互作用の大きなGeの場合に何らかの電子系の不安定性が働くと予想される。今後の研究において、その原因を究明し、新たなスピン軌道結合系を開拓したい。
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