Emergence of quantim liquid crystal property in rare earth compounds and devil's staircase transition

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04483
• 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: Hiroshima University
• Principal Investigator: 黒田 健太 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (00774001)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: 光電子分光 / 相転移 / 悪魔の階段 / 量子液晶 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子 / 希土類化合物 / 反強磁性 / 電子相関

Outline of Research at the Start

少数キャリア希土類化合物 CeSbで発現する量子液晶の電子描像を確立させ，「悪魔の階段」で知られる複雑怪奇な磁気転移へ導く機能性を明らかにする。鉄系超伝導体を代表例として, これまで量子液晶の科学は遷移金属化合物を中心に研究が行われてきたが, 本研究で希土類化合物の量子液晶の特異性を極め, 遷移金属化合物との違いを明示していくことで, 希土類化合物特有の量子液晶とその機能物性を研究する新たな舞台の創造を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、少数キャリア希土類化合物 CeSbで発現する量子液晶の電子描像を確立させ，「悪魔の階段」で知られる複雑怪奇な磁気転移へ導く機能性を明らかにすることである。本年度は，レーザー角度分解光電子分光 (ARPES)に加えて，非弾性 X 線散乱分光とレーザー散乱分光を用いた測定を CeAs を CeSb に対して行い，各物質の相転移における電子相関機構の系統変化を電子状態とフォノン・結晶場の観点で調べた。その結果，CeAs/CeSb で異なった多体相互作用を反映した準粒子が発現していることを明らかにした。CeSb では四極子遷移に相当する高次の結晶場励起が反強磁性相で顕著になっており伝導電子がその結晶場励起と電子ボゾン結合によって準粒子が発現している一方で，CeAs では常磁性相においても低次の結晶場励起が素励起としてよく発達しており電子ボゾン結合を通して準粒子が発現していることがわかった。したがって，結晶場との電子ボゾン結合はこの物質群で共通した多体相互作用であるといえる。特筆すべきは， CeAs では結晶場励起だけでなく，フォノンにも温度に対して異常が見られ LO/TO 分裂が明瞭に観測された。この光学フォノンの分裂は希薄キャリアの半導体でよくみられる現象であるため，CeAs の相互作用は少数キャリア性によって特徴付けられていることがわかった。したがって，「悪魔の階段」と「量子液晶」などの特性を示す CeSb と示さない CeAs の違いは，キャリア数の変化はもとより，キャリア補償型の半金属としてフェルミ面の大きさに起因していることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初予定していた圧力印加などによる反強磁性ドメインの空間分布制御や「量子液晶」を見出す上で重要な電気輸送の異方性やネマティック感受率などの測定まで行えなかったが， CeSb と CeAs の違いに着眼した実験的アプローチを行って少数キャリア性という非常に重要な観点を実験から見出すことができた。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究によって，電子構造・結晶場・フォノンの３つの自由度から CeAs と CeSb における多体相互作用の違いに着目して，フェルミ面（セリウム 5d 軌道由来の電子面とプニクトゲンの p 軌道由来のホール面）の大きさが決定的な違いを導いていることを明らかにした。次年度は CeSb においてのみ存在する電子異方性，すなわち「量子液晶」との関連性を見出す。そのために，これまで 行われてこなかった圧力印加を軸とした測定を行い，CeAs/CeSb における圧力応答の違いを見出す。さらには，精度の高い電気伝導測定からネマティック感受率の定量評価も目指して，その他物質との比較から希土類化合物特有の「量子液晶」の振る舞いを見出す。

Research Products

• [Journal Article] Coexistence of Strong and Weak Topological Orders in a Quasi-One-Dimensional Material (2022)
  • Author(s): De-Yang Wang, Qi Jiang, Kenta Kuroda, Kaishu Kawaguchi, Ayumi Harasawa, Koichiro Yaji, Arthur Ernst, Hao-Ji Qian, Wen-Jing Liu, He-Ming Zha, Zhi-Cheng Jiang, Ni Ma, Hong-Ping Mei, Ang Li, Takeshi Kondo, Shan Qiao, and Mao Ye.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Issue: 14 Pages: 146401-146401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.146401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Visualization of optical polarization transfer to photoelectron spin vector emitted from a spin-orbit coupled surface state (2023)
  • Author(s): Kenta Kuroda, Koichiro Yaij, Ryo Noguchi, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Takeshi Kondo, Fumio Komori
  • Organizer: APS march meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] AB積層結晶の表面近傍電子状態におけるらせん対称性の破れ (2023)
  • Author(s): 田中宏明, 岡崎尚太, 小林賢, 福島優斗, 新井陽介, 飯盛拓嗣, Mikk Lippmaa, 山神光平, 小谷佳範, 小森文夫, 黒田健太, 笹川崇男, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 少数キャリア半金属 CeX における強相関電子状態 (2023)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 筒井智嗣, 田中宏明, Yuyang Dong, 岩田拓万, 片山和郷, 水上雄太, 平井大悟郎, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 宮坂茂樹, 田島節子, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] オゾンアニールでキャリア量制御したBi2223における電子構造のレーザーARPESによるその場観察 (2023)
  • Author(s): 加藤圭, 國定聡, 山口隼平, 黒川輝風, 黒田健太, 新井陽介, 合戸洸平, 渡辺孝夫, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] SX-ARPESで調べる強磁性スピネルHgCr2Se4の半導体的電子状態 (2023)
  • Author(s): 田中 宏明、Telegin, Andrei 、Sukhorukov, Yurii 、Golyashov, Vladimir、Tereshchenko, Oleg 、Lavrov, Alexander、松田 拓也、松永 隆佑、 明石 遼介、Lippmaa, Mikk、新井 陽介、室 隆桂之、出田 真一郎、田中 清尚 、近藤 猛 、黒田 健太
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 少数キャリア半金属 CeX における強相関メカニズムの系統的な変化 (2023)
  • Author(s): 新井 陽介、黒田 健太、筒井 智嗣、平井 大悟郎、田中 宏明、Yuyang Dong、岩田 拓万、片山 和郷、野本 拓也 、辛 埴、久保田 正人、芳賀 芳範 、鈴木 博之、宮坂 茂樹、田島 節子、有田 亮太郎、近藤 猛
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Electronic Correlations of CeSb under The Devil’s Staircase Transition (2022)
  • Author(s): Kenta Kuroda
  • Organizer: CONMATT2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 複合アニオン超伝導体 HfP2-xSex における線ノード型ディラック電子の直接観測 (2022)
  • Author(s): 西岡幸美, 石坂仁志, 黒田健太, 井野明洋, Shiv Kumar, 島田賢也, 鬼頭聖, 長谷泉, 石田茂之, 岡邦彦, 藤久裕司, 後藤義人, 吉田良行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Fe3Ga薄膜のスピン分極バンド構造の観測 (2022)
  • Author(s): 大和田清貴, 中西楓恋, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一, 周偉男, 佐々木泰祐, 磯上慎二, 増田啓介, 桜庭裕弥, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] HiSORにおけるレーザー顕微スピン分解光電子分光装置の現状 (2022)
  • Author(s): 岩田拓万, 西岡幸美, 大和田清貴, 岩澤英明, 有田将司, 木村昭夫, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 軟X線ARPESによるアクチノイド化合物ThSbのトポロジカル電子状態の観測 (2022)
  • Author(s): 角田一樹, 藤森伸一, 川崎郁斗, 竹田幸治, 山上浩志, 黒田健太, 芳賀芳範
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] スピン角度分解光電子分光実験によるFe4N薄膜の電子状態の解明 (2022)
  • Author(s): 中西楓恋, 大和田清貴, 黒田健太, 角田一樹, 宮本幸治, 奥田太一, 磯上慎二, 増田啓介, 桜庭裕弥, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光で解明する多層型銅酸化物超伝導体の強結合超伝導状態 (2022)
  • Author(s): 黒川輝風, 大久保卓, Z. Yang, 野村肇宏, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, C. Lin, 黒田健太, T. K. Kim, M. Wattson, C. Cacho, 辛埴, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Relationship between electronic structure and magnetism of Gd-based skyrmion materials studied by ARPES (2022)
  • Author(s): Yuyang Dong, Masayuki Ochi, Yosuke Arai, Kenta Kuroda, Natsumi Tanaka, Ryu Nakachi, Yuxuan Wan, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Timur Kim, Matthew Watson, Cephise Cacho, Takayuki Muro, Ryuji Higashinaka, Yuji Aoki, Tatsuma D. Matsuda, Takeshi Kondo
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会