Magneto-optical Kerr effect study on chiral superconductivity formed by nematic electron liquid crystals

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04473
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 米澤 進吾 京都大学, 工学研究科, 教授 (30523584)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 磁気光学カー効果 / カイラル超伝導 / 時間反転対称性の破れ / 回転対称性の破れ / 電子ネマティック状態 / 量子液晶 / 鉄系超電導 / ボゴロンフェルミ面 / 鉄セレン超伝導体 / カゴメ格子金属 / ウルトラノーダル超伝導 / ボゴリウボフ準粒子フェルミ面 / ネマティック電子流体 / ボゴリウボフフェルミ面

Outline of Research at the Start

時間反転対称性の破れとは「仮想的に時間を逆回しにしたときに違った状態に見える」ことであり、強磁性など自発磁化が生じている状態に対応する。硫黄を添加したFeSe系では、時間反転対称性の破れを伴う「ウルトラノーダル」超伝導という非常に珍しい超伝導が実現していると考えられており、それが電子液晶によって形成されていると考えられている。本研究では超伝導の時間反転対称性破れを実験室レベルで確認できる唯一の方法である超高分解能磁気的カー効果測定を用いて、硫黄添加FeSe系における超伝導の時間反転対称性の破れと電子液晶が持つ回転対称性の破れの関係性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、電子液晶が形成する新奇な超伝導状態における時間反転対称性の破れを、磁気光学カー効果を利用して超高感度に測定することを目指している。他にも、前期公募研究に引き続き、量子液晶のもつ典型的性質である空間回転対称性の破れ（ネマティシティー）を検出・制御する研究も継続した。
まず本年度は代表者の異動に伴い研究装置をすべて移転し、新たな研究室を立ち上げる作業を行った。移転作業は4-6月にかけて行い、実験を再び行える体制を整えた。
そのうえで、本年度はカゴメ格子を持つ金属CsV3Sb5に対して行ってきた高感度磁気光学カー効果の研究を継続した。この物質は94Kで電荷秩序、3Kで超伝導を示すが、我々は電荷秩序相において時間反転対称性が破れていることを示す結果を得た。しかし、他グループから異なる実験結果も報告されたため、本年度は研究結果の吟味を行ってきた。時間反転対称性を破る自発的カー効果の再現を取るとともに、試料依存性も測定した。それらの結果、非常に質のいい試料のみで自発的カー効果が出ることがわかった。本結果について論文を投稿する予定である。カー効果に関しては、他に走査型装置の開発や磁場中での測定に向けた技術開発なども行った。
ほかに、CsV3Sb5に関しては、磁場方向制御下での比熱測定から求めた上部臨界磁場が非自明な6回振動と2回振動を示すことを明らかにし、「創発回転対称性」を破った多成分超伝導秩序変数の実現を示した。レフェリーレポートへの回答に長い時間を要したが、2024年4月にNature Communications誌で出版された。
また、強磁性体URhGeにおけるFiber Bragg grating法を用いた異方的磁歪の研究によって、強磁性体におけるピエゾ磁気効果を初めて観測した。この結果は現在論文を投稿中である。
他に超伝導ダイオード効果などの共同研究の論文を出版した。

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] 北京科技大学(中国)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学アーバイン校(米国)
• [Int'l Joint Research] ケンブリッジ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] UC Irvine/メリーランド大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 北京理工大学(中国)
• [Int'l Joint Research] ETH Zurich(スイス)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [Journal Article] Violation of emergent rotational symmetry in the hexagonal Kagome superconductor CsV3Sb5 (2024)
  • Author(s): Fukushima Kazumi、Obata Keito、Yamane Soichiro、Hu Yajian、Li Yongkai、Yao Yugui、Wang Zhiwei、Maeno Yoshiteru、Yonezawa Shingo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 2888-2888
  • DOI: 10.1038/s41467-024-47043-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spontaneous superconducting diode effect in non-magnetic Nb/Ru/Sr2RuO4 topological junctions (2023)
  • Author(s): Anwar Muhammad Shahbaz、Nakamura Taketomo、Ishiguro Ryosuke、Arif Shafaq、Robinson Jason W. A.、Yonezawa Shingo、Sigrist Manfred、Maeno Yoshiteru
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42005-023-01409-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spacetime-emergent ring toward tabletop quantum gravity experiments (2023)
  • Author(s): Hashimoto Koji、Takeda Daichi、Tanaka Koichiro、Yonezawa Shingo
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.023168
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconducting spin smecticity evidencing the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in Sr ₂ RuO ₄ (2022)
  • Author(s): Kinjo K.、Manago M.、Kitagawa S.、Mao Z. Q.、Yonezawa S.、Maeno Y.、Ishida K.
  • Journal Title: Science Volume: 376 Issue: 6591 Pages: 397-400
  • DOI: 10.1126/science.abb0332
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quasi-two-dimensional Fermi surface of superconducting line-nodal metal <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>CaSb</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math> (2022)
  • Author(s): Ikeda Atsutoshi、Saha Shanta Ranjan、Graf David、Saraf Prathum、Sokratov Danila Sergeevich、Hu Yajian、Takahashi Hidemitsu、Yamane Soichiro、Jayaraj Anooja、S?awi?ska Jagoda、Nardelli Marco Buongiorno、Yonezawa Shingo、Maeno Yoshiteru、Paglione Johnpierre
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 7 Pages: 075151-075151
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.075151
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fermiology of a topological line-nodal compound CaSb2 and its implication to superconductivity: Angle-resolved photoemission study (2022)
  • Author(s): Chuang Chien-Wen、Souma Seigo、Moriya Ayumi、（省略）、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Yonezawa Shingo、Paglione Johnpierre、Maeno Yoshiteru、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 10 Pages: 104203-1
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.104203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 対称性破れの検出と制御を基軸とした固体量子物性研究 (2023)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 極限宇宙ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Unconventional superconductivity with novel in-plane anisotropies (2023)
  • Author(s): Shingo Yonezawa
  • Organizer: KU-VUW Joint Workshop 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anomalous in-plane anisotropy in the Kagome superconductor CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Shingo Yonezawa
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field-training-tunable charge order in kagome metal CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Soichiro Yamane
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of the current-induced strain in BaMn2As2 using fiber Bragg grating (2023)
  • Author(s): Mikiya Tomikawa
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カゴメ格子超伝導体CsV3Sb5の磁場中比熱測定による低エネルギー励起の観測 (2023)
  • Author(s): 米澤進吾, 福島和実, 小畑慶人, Yajian Hu, 山根聡一郎, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, 前野悦輝
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] カゴメ金属CsV3Sb5におけるCDW状態の時間反転対称性の検討 (2023)
  • Author(s): 山根聡一郎, Yajian Hu, Giordano Mattoni, 小畑慶人, 矢田歌菜絵, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Donghan Kim, Changyoung Kim, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jin Xia, 前野悦輝, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] Fiber Bragg gratingを用いたBaMn2As2の電流誘起歪みの電流依存性及び周波数依存性 (2023)
  • Author(s): 富川幹也, 能登滉太, 種岡輝, 工藤真裕, 青山拓也, 大串研也, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] 極性金属YbCuBiとその周辺物質の単結晶育成と低温物性 (2023)
  • Author(s): 金城克樹, 池田敦俊, 前野悦輝, 北川俊作, 石田憲二, 米澤進吾, 那波和宏, 佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] Novel in-plain anisotropy of the Kagome superconductor CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Shingo Yonezawa
  • Organizer: The 36th International Symposium on Superconductivity (ISS2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anomalous in-plane superconducting anisotropy in CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Shingo Yonezawa
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-reversal symmetry breaking induced by chiral charge order in CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Soichiro Yamane, Yajian Hu, Giordano Mattoni, Keito Obata, Kanae Yada, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Donghan Kim, Changyoung Kim, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Yoshiteru Maeno, Shingo Yonezawa
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magneto-optical effects in quantum liquid-crystal materials to detect novel time-reversal-symmetry breakings (2023)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 令和5年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Time-reversal symmetry breaking in the charge-ordered state of the kagome metal CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): 山根聡一郎
  • Organizer: 令和5年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Novel strain responses in electron liquid crystals investigated by fiber-Bragg grating technique (2023)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 令和5年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] カゴメ金属の電荷秩序相における時間反転対称性破れ (2023)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
  • Invited
• [Presentation] パルス磁場中における磁気光学カー効果測定に向けた技術開発 (2023)
  • Author(s): 川渕悟郎, 山根聡一郎, 渡辺岳斗, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 走査型磁気光学Kerr効果測定へ向けた装置開発 (2023)
  • Author(s): 山根聡一郎, 渡辺岳斗, 川渕悟郎, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Zr6CoAl2型構造を有するメタルリッチ化合物Zr6FeSb2の超伝導 (2023)
  • Author(s): 松本崚平, 村上瑛, S. Ramakrishnan, 米澤進吾, 高畠敏郎, 鬼丸孝博, 野原実
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Ru-Sn籠を持つ擬スクッテルダイト化合物の超伝導 (2023)
  • Author(s): 金城克樹, 那波和宏, 佐藤卓, 池田敦俊, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] In-plane superconducting anisotropy in CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): S. Yonezawa
  • Organizer: OSS Weekly Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field-angle-resolved calorimetry of the Kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Keito Obata, Kazumi Fukushima, Sotaro Yamane, Yajian Hu, Giordano Mattoni, Yugui Yao, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Yoshiteru Maeno, Shingo Yonezawa
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High resolution Kerr-effect study for detecting time-reversal symmetry breaking in unconventional ordered states (2022)
  • 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)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking charge density wave in the Kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • 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)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking in the charge density wave of CsV3Sb (2022)
  • 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: OSS2022 "Oxide Superconducting Spintronics Workshop 2022"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Developments of magneto-optic Kerr-effect measurement techniques for detecting time-reversal symmetry breaking (2022)
  • 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: OSS2022 "Oxide Superconducting Spintronics Workshop 2022"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カゴメ金属CsV3Sb5における比熱や上部臨界磁場の面内異方性 (2022)
  • Author(s): 福島和実, 小畑慶人, Yajian Hu, 山根聡一郎, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, 前野悦輝, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 磁気光学Kerr効果測定によるカゴメ金属CsV3Sb5の時間反転対称性の破れの検出 (2022)
  • Author(s): 山根聡一郎, Yajian Hu, 木村直博, 小畑慶人, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jin Xia, 前野悦輝, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 線ノード物質CaSb2の超伝導状態の圧力下123Sb-NQRによる研究 (2022)
  • Author(s): 髙橋秀光, 北川俊作, 石田憲二, 池田敦俊, S. R. Saha, 米澤進吾, J. Paglione, 前野悦輝
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Fiber Bragg gratingを用いたURhGeの多軸同時ひずみ測定 (2022)
  • Author(s): 富川幹也, 荒木遼, Yajian Hu, 仲村愛, 菊川直樹, 青木大, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 超伝導物質Sr2RuO4に一軸圧を印加して超伝導状態を検出する技術の改良及び加圧セルを用いた測定 (2022)
  • Author(s): 松原匠矢, ムハンマド ワキ ユア レマン クァドリ, 木村直博, マットーニ・ジョルダーノ, 前野悦輝, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Disorder Effects on Unconventional Superconductivity in (TMTSF)2ClO4 (2022)
  • Author(s): S. Yonezawa
  • Organizer: The 14th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superconductivity in CaSb2, line-nodal metal with a nonsymmorphic structure (2022)
  • Author(s): A. Ikeda, M. Kawaguchi, S. Koibuchi, S. R. Saha, D. Graf, P. Saraf, D. S. Sokratov, Y. Hu, H. Takahashi, S. Yamane, A. Jayaraj, J. Slawinska, M. B. Nardelli, T. Hashimoto, T. Kawakami, S. Yonezawa, M. Sato, Y. Maeno, J. Paglione
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 17O?NMR measurements on Sr2RuO4 near upper critical field (2022)
  • Author(s): Katsuki Kinjo, M. Manago, S. Kitagawa, K. Ishida Z. Q. Mao, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時空創発物質：量子重力実験にむけての提案 Part 3 (2022)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 講演会 『時空創発物質：量子重力実験にむけての提案』
• [Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5の上部臨界磁場の異方性 (2022)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 基研研究会「非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流」
• [Presentation] Symmetry breakings observed in quantum liquid crystals (2022)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 令和4年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] ネマティック電子液晶が形成するカイラル超伝導の磁気光学カー効果 (2022)
  • Author(s): 米澤進吾
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」第2期公募研究キックオフミーティング
• [Presentation] Probing the superconducting properties of Sr2RuO4 by applying uniaxial strain (2022)
  • Author(s): クァドリ ムハンマド ワキ ユア レマン
  • Organizer: 基研研究会「非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流」
• [Presentation] Relationship between cooling rate and superconductivity in (TMTSF)2 ClO4 (2022)
  • Author(s): 矢野翔太
  • Organizer: 令和4年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] In-plane anisotropy of the superconductivity in the Kagome metal CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): 福島和実
  • Organizer: 令和4年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Study of superconductivity in Sr 2 RuO4 under uniaxial pressure with improved strain cells (2022)
  • Author(s): 松原匠矢
  • Organizer: 令和4年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Simultaneous multi-axis measurement of the magnetostriction in URhGe with Fiber Bragg grating (2022)
  • Author(s): 富川幹也
  • Organizer: 令和4年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Fiber Bragg gratingを用いたURhGeの多軸同時ひずみ測定 (2022)
  • Author(s): 富川幹也, 荒木遼, 仲村愛, 青木大, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 擬一次元有機超伝導体(TMTSF)2ClO4のアニオン秩序と超伝導の関係の熱力学的検証 (2022)
  • Author(s): 矢野翔太, 福島和実, 金城克樹, 山根総一郎, Le Hong Ho?ng To, Pascale Senzier, Shamashis Sengupta, Denis J?rome, Claire Akiko Marrache-Kikuchi, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Fiber Bragg gratingを用いたBaMn2As2の電流誘起歪み測定 (2022)
  • Author(s): 能登滉太, 富川幹也, 工藤真裕, 青山拓也, 大串研也, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 卓上量子重力実験に向けた時空創発リングの探索 (2022)
  • Author(s): 橋本幸士, 竹田大地, 田中耕一郎, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Remarks] 超伝導の世界でも、六角形と円は違うのだ ―「創発回転対称性」の破れを発見―
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20240411
• [Remarks] 米澤進吾ホームページ
  • URL: https://sk.kuee.kyoto-u.ac.jp/person/yonezawa/index.html
• [Remarks] 集積機能工学研究室ホームページ
  • URL: https://sk.kuee.kyoto-u.ac.jp/ja/