2020 Fiscal Year Annual Research Report
Physics of hypermaterials and the search for hidden orders
| Project Area | Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space |
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| Project/Area Number |
19H05821
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
出口 和彦 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (40397584)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 真 中央大学, 理工学部, 教授 (00360610)
枝川 圭一 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20223654)
橋爪 洋一郎 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 講師 (50711610)
杉本 貴則 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 講師 (70735662)
古賀 昌久 東京工業大学, 理学院, 准教授 (90335373)
高際 良樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 独立研究者 (90549594)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | ハイパーマテリアル / 準結晶 / 近似結晶 / 高次元 / 補空間 / 磁性 / 超伝導 / フェイゾン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 格子物性：異常高温比熱（余剰エントロピー）測定による補空間自由度の観測
Al-Pd-Mn準結晶、Al-Pd-Mn-Si系2/1及び1/1近似結晶、Al-Pd-Fe系1/0近似結晶、Al-Pd-Ru系1/0近似結晶の高温比熱を測定した結果、準結晶は高温域でDulong-Petitの値から大きくはずれ、2/1、1/1、1/0近似結晶の順でDulong-Petitの値からのずれは小さくなるという結果が得られた。これらの結果は準結晶の高温域における比熱上昇が補空間の自由度に結び付いたフェイゾン弾性に関連して生じている可能性を強く示唆するものである。
2. 強相関磁性：磁気秩序の補空間マッピング、実空間における有効模型による理論的アプローチ
準周期系特有の磁気秩序について、Penroseタイル以外にAmmann-BeemkerタイルとSocolarタイルを調べ、弱結合領域における準周期系特有の束縛状態の影響を補空間マッピングにより可視化した。Tsai型近似結晶において実験的に観測されている多彩な磁気秩序の発現機構を理解するために、RKKY相互作用を考慮した古典磁気模型の理論解析を行い、実験結果を定性的に説明することに成功した。
3. 量子臨界現象と磁性：準結晶の高次元性・フラクタル構造と物性、補空間と物性を結び付ける端緒
量子臨界現象を示すAu-Al-Yb準結晶・近似結晶のAuとAlについて同形置換したYb系準結晶・近似結晶の磁性とYbの価数について系統的に調べた結果、Yb以外の元素置換によりYbの磁性が大きく変化することが明らかになり、Tsai型クラスター構造をもつYb系準結晶・近似結晶の磁性を共通の高次元結晶の格子定数を用いて整理することに成功した。結晶学的分類では全く異なるカテゴリーに分類される物質群が示す物性を両者に共通の高次元結晶を用いて説明する根拠が得られたと考えている。
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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
準結晶や近似結晶など、補空間を含む高次元空間で統一的に記述されるハイパーマテリアルは、その高次元性に起因して「補空間」という 実空間と直交する隠れた空間の構造自由度を有する特徴がある。Tsai型のクラスター構造をもつ強相関電子系の準結晶・近似結晶の磁性について、高次元の格子定数を用いて、Yb系準結晶・近似結晶の磁性が整理できることが明らかになり、補空間を用いた高次元の物理と準結晶・近似結晶の物性をつなぐ端緒が得られた。理論面からは準周期系の磁気秩序について、ペンローズタイル、Ammann-Beemkerタイル、Socolarタイルを調べ、高次元性に着目した補空間マッピングによる準周期系の磁気秩序の可視化に成功した。Tsai型準結晶及び近似結晶で、実験的に観測されている磁気秩序と理論研究をつなぐためのRKKY相互作用のみを仮定した古典磁気模型の理論解析を行い、1/1近似結晶について実験結果の定性的な説明を得ることができた。ハイパーマテリアルの補空間自由度を最も単純な形で反映した物性であると考えられている準結晶の高温比熱におけるDulong-Petit則の破れについて様々な準結晶・近似結晶について高温比熱を測定した結果、準結晶は高温域でDulong-Petitの値から大きくはずれ、2/1、1/1、1/0近似結晶の順でDulong-Petitの値からのずれは小さくなる結果が得られた。超伝導については新しい超伝導ハイパーマテリアルが見つかりつつあり、Au-Ge-Yb近似結晶の超伝導が準結晶の超伝導の発見につながったことにより、日本物理学会第26回論文賞受賞となった。熱電応用についても機械学習を組み合わせた物質開発が成功し様々なメディアで取り上げられており、ハイパーマテリアルにも波及しつつある。以上のことからコロナ禍の影響は受けているが、研究計画は進捗していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ハイパーマテリアルに特徴的な磁性・超伝導・量子臨界状態、熱電物性、格子物性、輸送現象を中心に据え、補空間に潜む法則性（hidden order）と補空間ダイナミクス・低エネルギー励起について下記のように役割分担して、理論・実験の双方から研究を行う。
①磁性（実験：出口、理論：古賀、杉本、橋爪）: 磁性・格子物性についてダイナミクス・低エネルギー励起に関する研究をA02班の松浦直人主任研究員と共同でJ-PARC長期課題(2020L0300：代表 出口和彦)を用いて中性子非弾性散乱の実験を進める。準結晶及びその近似結晶における磁気秩序・量子臨界現象に対して、有効模型を用いて準結晶の構造に由来する物性の解明と実験に対する理論的提案を行う。
②格子物性（実験：枝川、理論：中村）: 異常高温比熱を観測する実験と分子動力学シミュレーションを組み合わせて、準結晶の高温域における比熱上昇が高次元の補空間の自由度との関係を調べる。フォノン－フェイゾン結合弾性に関して、単準結晶・一軸圧縮・X線回折を組み合わせた実験によりフェイゾン歪、結合弾性定数を調べる。A02班と共同で中性子非弾性散乱の実験を進め、準結晶のフォノンの分散関係の構造を詳細に調べる。準結晶に特徴的な格子物性について、音響フォノン＋拡散モードとしてのフェイゾンに着目して研究を進める。
③輸送現象（実験：出口、枝川、高際）: 超伝導ハイパーマテリアルについてA03班・A01班と連携して、新物質・新超伝導体探索を進める。また、正12角形準結晶についても純良準結晶・近似結晶の作製と準結晶や関連の近似結晶および新規金属間化合物の探索を進める。フェルミ準位近傍に擬ギャップ、または狭ギャップを形成する準結晶や関連の近似結晶および新規金属間化合物に着目し、高温における熱電能を調べることにより高い熱電変換性能を示す高機能ハイパーマテリアルを探索する。
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[Presentation] Au-SM-Yb系1/1近似結晶の作製と物性2021
Author(s)
村井孝太朗, 石川明日香, 鈴木慎村井孝太朗, 石川明日香, 鈴木慎太郎, 出口和彦, 室裕司, 田村隆治太郎, 出口和彦, 田村隆治, 高倉洋礼
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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[Presentation] Exploring superconducting and magnetic hypermaterials2020
Author(s)
K. Deguchi, Y. Hirano, K. Imura, N. K. Sato, A. Ishikawa, S. Suzuki, R. Tamura, N. Fujita, Y. Takagiwa, Y. Iwasaki, K. Kimura, H. Takakura
Organizer
新学術領域ハイパーマテリアル第5回領域会議
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