Search for quantum liquid crystals using superstructures with orbital degrees of freedom

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04484
• 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: Waseda University
• Principal Investigator: 勝藤 拓郎 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00272386)
• 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: 軌道自由度 / 電子液晶 / スローダイナミクス / 超構造 / 軌道液晶

Outline of Research at the Start

近年、軌道とスピンの結合に由来する秩序相と無秩序相の間の大きな界面エネルギーを用いることにより、軌道秩序相と無秩序相が共存した「柔らかい」構造をつくることができることが明らかにされた。こうしたもとの結晶の周期構造とは関係のない超構造に、異方性を導入することによって電子液晶状態を作り出すのが本研究の目的である。

Outline of Annual Research Achievements

(1) 2022年度は170Kでフェリ磁性相転移を起こすCoV2O4と50Kで正方晶(a>c)への構造相転移とフェリ磁性転移を起こすMnV2O4との混晶系Co1-xMnxV2O4を作製し、TN以下での正方晶歪は小さい（ネマティック）が、ｘが大きくなると40K付近で軌道整列由来の正方晶への構造相転移が起こることを見出した。今年度はCoV2O4と低温で正方晶（c>a）への構造相転移を起こすFeV2O4の混晶系Co1-xFexV2O4を作製し、歪測定と磁化測定から構造と磁性の関係を調べた。その結果、TN以下での正方晶歪がxとともに連続的に大きくなる一方、xが大きくなると50K付近で軌道整列由来の構造相転移が起きることを見出した。すなわち、これらの系ではいずれも、TN以下でのスピン軌道結合による正方晶歪とVの軌道整列による正方晶歪が独立に起こることが分かった。
2) 2次元磁性体であるLa5Mo4O16は200Kに面内でフェリ磁性，面間で反強磁性であるが，1T以下の弱磁場で面間方向が強磁性にメタ磁性転移する。このメタ磁性転移に伴うスローダイナミクスについて、特にMoサイトをMnで置換した単結晶について調べた結果、磁化の時間依存性の温度・磁場依存性が、核生成-核成長ダイナミクスによって統一的に理解でき、表面張力は面内の磁気的相互作用に由来すること、また定量的な比較によって、核の表面には磁壁構造ができていることを明らかにした。さらに、置換を行わない母物質La5Mo4O16においては、70K以下で起こる軌道秩序に由来する特異なダイナミクスの温度依存性が現れることを見出した。

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

• [Journal Article] Pump-probe optical spectroscopy of hexagonal YMnO3 over wide time and energy ranges (2023)
  • Author(s): Katsufuji Takuro、Yoshida Taishi、Akimoto Kaoru、Okubo So、Saiki Takuo
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 12 Pages: 125131-125131
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.125131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge transport, specific heat, and optical properties across the metal-insulation transition in Ba3－xRxNb5O15 (2023)
  • Author(s): Sekino Wataru、Takei Ryosuke、Ito Satomi、Takei Haruki、Iwamoto Kenta、Katayama Yumiko、Ueno Kazunori、Kuwahara Hideki、Katsufuji Takuro
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 12 Pages: 124404-124404
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.124404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical spectroscopy of bulk single crystals of VOx and TiOx (2023)
  • Author(s): Yoshida Taishi、Akimoto Kaoru、Yanagida Asuka、Yano Suguru、Matsumoto Haruka、Iwata Takumi、Yoshimura Ryota、Katsufuji Takuro
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 1 Pages: 014412-014412
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.014412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamics of phase transitions in Ba1-xSrxV13O18 (2022)
  • Author(s): Tsukame Tomohiro、Iwata Takumi、Shiraishi Yuki、Kajita Tomomasa、Katsufuji Takuro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 4 Pages: 045124-045124
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.045124
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Slow dynamics in strongly correlated electron systems (2024)
  • Author(s): Takuro Katsufuji
  • Organizer: The 22nd Japan-Korea-Taiwan Symposium on Strongly Correlated Electron Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Novel aspects of orbital ordering in Ba-V-O with V triangular lattice (2023)
  • Author(s): Takuro Katsufuji
  • Organizer: 4th International Symposium on Negative Thermal Expansion and Related Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 軌道自由度がもたらす新奇物性 (2022)
  • Author(s): 勝藤拓郎
  • Organizer: 駒場物性セミナー
  • Invited