Investigation of nematicity of FFLO superconductivity

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04466
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 今城 周作 東京大学, 物性研究所, 特任助教 (30825352)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 超伝導 / 有機伝導体 / 強相関電子系 / 超音波測定 / FFLO状態 / FFLO / 量子液晶 / 強磁場

Outline of Research at the Start

FFLO状態と呼ばれる非従来型超伝導状態は、通常の超伝導がもっていた電子対流体としての対称性が量子効果によって破れた電子対液晶としてみなすことができるため、近年注目されている「量子液晶」の概念の枠組みで理解される。FFLO状態の提唱以来、様々な理論研究から理論的理解は深まっているが、FFLO状態の発現条件の厳しさや、実験難度の問題点から現実での実験的実証はあまり進んでいない。本研究では装置開発を通して、FFLO状態における量子液晶性の起源である空間変調性を超音波特性の異方性としてパルス強磁場中超音波測定から検出し、FFLO状態の実験的理解を進める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題が属する新学術領域では、近年注目を集めている「量子液晶」という概念の元で量子物性を統一的に整理・理解することを目標としている。本課題では、電子対液晶状態と考えられているFulde-Ferrell-Larkin-Ovchinniko (FFLO) 状態と呼ばれる超伝導状態の量子液晶性の検証を行うことを目的としている。この検証の達成にはFFLO状態の実現、およびそのFFLO状態での空間異方性の検出が必要とされ、本課題では有機超伝導体の純良単結晶に対して強磁場超音波測定によってアプローチをする方法を提案した。本課題は「パルス強磁場中磁場角度精密制御下での有機物の超音波測定」の実現によって達成されるため、初年度は超音波の測定面での開発・環境整備を中心とし、本年度はその測定環境を用いてFFLO候補物質の超音波測定に注力した。
FFLO候補物質であるκ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2を中心とした測定を行い、既に2022年に報告していたFFLO状態による空間変調性が作る量子液晶性（Nature Communications 13, 5590 (2022).）の追試に加え、FFLO状態の空間変調性が不純物に弱いという理論予想の検証を行うべく、x線照射によって人工的に欠陥を加えたκ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2の測定を共同研究者と測定し、FFLO相の敏感な不純物応答を捉えることができた。
また、弾性特性を通した各物理パラメータを得るために他のFFLO候補物質であるκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brも含めて面直磁場中でのパルス磁場中超音波測定も進め、コヒーレンス長や平均自由行程などの決定を行なった。その測定から、絶対零度でも超伝導揺らぎが存在すること等の有機超伝導の新しい知見を得ることができた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Nottingham Trent University(英国)
• [Int'l Joint Research] Radboud University(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Nottingham Trent University(英国)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] TU Wien(オーストリア)
• [Journal Article] Quantum Liquid States of Spin Solitons in a Ferroelectric Spin-Peierls State (2024)
  • Author(s): Imajo Shusaku、Miyake Atsushi、Kurihara Ryosuke、Tokunaga Masashi、Kindo Koichi、Horiuchi Sachio、Kagawa Fumitaka
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 132 Issue: 9 Pages: 096601-096601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.096601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Introduction of new guest molecules into BEDT-TTF radical-cation salts with tris(oxalato)ferrate (2024)
  • Author(s): Blundell Toby J.、Rusbridge Elizabeth K.、Pemberton Rebecca E.、Brannan Michael J.、Morritt Alexander L.、Ogar Joseph O.、Wallis John D.、Akutsu Hiroki、Nakazawa Yasuhiro、Imajo Shusaku、Martin Lee
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: 26 Issue: 14 Pages: 1962-1975
  • DOI: 10.1039/d4ce00099d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Jeff = 1/2 Hyperoctagon Lattice in Cobalt Oxalate Metal-Organic Framework (2024)
  • Author(s): Ishikawa Hajime、Imajo Shusaku、Takeda Hikaru、Kakegawa Masafumi、Yamashita Minoru、Yamaura Jun-ichi、Kindo Koichi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 132 Issue: 15 Pages: 156702-156702
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.156702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pseudogap formation in organic superconductors (2023)
  • Author(s): Imajo Shusaku、Kobayashi Takuya、Matsumura Yuki、Maeda Taiki、Nakazawa Yasuhiro、Taniguchi Hiromi、Kindo Koichi
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 12 Pages: 124803-124803
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.124803
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Insights into Thermal Transport through Molecular π-Stacking (2023)
  • Author(s): Takehara Ryosuke、Kubo Natsuki、Ryu Meguya、Kitani Suguru、Imajo Shusaku、Shoji Yoshiaki、Kawaji Hitoshi、Morikawa Junko、Fukushima Takanori
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Issue: 40 Pages: 22115-22121
  • DOI: 10.1021/jacs.3c07921
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Superconductivity at 12 K in La2IOs2: A 5d metal with osmium honeycomb layer (2023)
  • Author(s): Hajime Ishikawa, Takeshi Yajima, Daisuke Nishio-Hamane, Shusaku Imajo, Koichi Kindo, Mitsuaki Kawamura
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 5 Pages: 054804-054804
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.054804
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum oscillations in the centrosymmetric skyrmion-hosting magnet GdRu2Si2 (2023)
  • Author(s): N. Matsuyama, T. Nomura, S. Imajo, T. Nomoto, R. Arita, K. Sudo, M. Kimata, N. D. Khanh, R. Takagi, Y. Tokura, S. Seki, K. Kindo, Y. Kohama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 10 Pages: 104421-104421
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.104421
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced Superconducting Pairing Strength near a Pure Nematic Quantum Critical Point (2023)
  • Author(s): Mukasa Kiyotaka、Ishida Kousuke、Imajo Shusaku、Qiu Mingwei、Saito Mikihiko、Matsuura Kohei、Sugimura Yuichi、Liu Supeng、Uezono Yu、Otsuka Takumi、Culo Matija、Kasahara Shigeru、Matsua Yuji、Hussey Nigel E.、Watanabe Takao、Kindo Koichi、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 13 Issue: 1 Pages: 011032-011032
  • DOI: 10.1103/physrevx.13.011032
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermodynamic properties of the Mott insulator-metal transition in a triangular lattice system without magnetic order (2023)
  • Author(s): Emre Yesil, Shusaku Imajo, Satoshi Yamashita, Hiroki Akutsu, Yohei Saito, Andrej Pustogow, Atsushi Kawamoto, and Yasuhiro Nakazawa
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 107 Issue: 4 Pages: 0451331-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.045133
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetically Hidden State on the Ground Floor of the Magnetic Devil’s Staircase (2022)
  • Author(s): Imajo S.、Matsuyama N.、Nomura T.、Kihara T.、Nakamura S.、Marcenat C.、Klein T.、Seyfarth G.、Zhong C.、Kageyama H.、Kindo K.、Momoi T.、Kohama Y.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Issue: 14 Pages: 147201-147201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.147201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emergent anisotropy in the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state (2022)
  • Author(s): Imajo Shusaku、Nomura Toshihiro、Kohama Yoshimitsu、Kindo Koichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 5590-5590
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33354-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Superconductivity and Charge Ordering in BEDT-TTF Based Organic Conductors with β″-Type Molecular Arrangement (2022)
  • Author(s): Ihara Yoshihiko、Imajo Shusaku
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 5 Pages: 711-711
  • DOI: 10.3390/cryst12050711
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 有機物の非従来超伝導 (2024)
  • Author(s): 今城周作
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会（若手奨励賞受賞講演）
  • Invited
• [Presentation] 遍歴らせん磁性体SrFeO3における磁気弾性結合の研究と相図の再考 (2024)
  • Author(s): 厳正輝, 今城周作, 鬼頭俊介, 徳永祐介, 新居陽一, 池田暁彦, 小濱芳允, 金道浩一, 石渡晋太郎, 有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] ダイマーMottスピン液体物質のMott境界での熱的性質 (2024)
  • Author(s): Emre Yesil, 中澤康浩, 今城周作, 山下智史, 圷広樹, 斉藤洋平, 河本充司
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Artificial non-magnetic disorder effect and devastation to the FFLO phase in layered organic superconductor k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 (2024)
  • Author(s): Shiori Sugiura, Shusaku Imajo, Koichi Kindo, Takahiko Sasaki
  • Organizer: APS March Meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrasound study of the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state (2023)
  • Author(s): Shusaku Imajo
  • Organizer: The 36th International Symposium on Superconductivity (ISS2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Organic Superconductor Research today (2023)
  • Author(s): Shusaku Imajo
  • Organizer: MRM2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] パルス強磁場を用いた物性研究の現状とその応用例 (2023)
  • Author(s): 今城周作
  • Organizer: 物性研究所共同利用成果発表会
  • Invited
• [Presentation] The BCS-BEC crossover in organic superconductors (2023)
  • Author(s): Shusaku Imajo
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機伝導体κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3の強磁場超音波測定 (2023)
  • Author(s): 髙橋大典, 杉浦栞理, 今城周作, 野村肇宏, 浦井瑞紀, 宮川和也, 金道浩一, 小濱芳允, 鹿野田一司, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 5dアニオン遷移金属ハニカム格子をもつLa2IOs2におけるTc = 12 Kの超伝導 (2023)
  • Author(s): 石川孟, 矢島健, 浜根大輔, 今城周作, 金道浩一, 河村光晶
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 超音波で観るFFLO超伝導の空間異方性 (2022)
  • Author(s): 今城周作
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] パルス強磁場を活用した分子性導体の研究 (2022)
  • Author(s): 今城周作
  • Organizer: 強磁場コラボラトリー
  • Invited
• [Presentation] 強相関有機超伝導体のBCS-BECクロスオーバー領域における擬ギャップ (2022)
  • Author(s): 今城周作、小林拓矢、松村祐希、中澤康浩、谷口弘三、金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Acoustic properties of the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state (2022)
  • Author(s): Shusaku Imajo, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, and Koichi Kindo
  • Organizer: The 14th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 配位高分子(d8-DMe-DCNQI)2Cu の強磁場物性 (2022)
  • Author(s): 今城周作、松山直史、横森創、森初果、金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会