2021 Fiscal Year Annual Research Report
Precision measurements of quantum liquid crystals
Project Area | Physical Properties of Quantum Liquid Crystals |
Project/Area Number |
19H05824
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Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
Principal Investigator |
花栗 哲郎 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (40251326)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
笠原 成 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (10425556)
芝内 孝禎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
清水 康弘 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (00415184)
廣理 英基 京都大学, 化学研究所, 准教授 (00512469)
和達 大樹 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (00579972)
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Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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Keywords | 量子液晶 / ネマティシティ / 超伝導 / 量子スピン系 / マヨラナ準粒子 |
Outline of Annual Research Achievements |
電荷液晶に関して、前年度に成功したTe置換FeSe単結晶を用いた詳細な物性研究を開始した。輸送現象、ネマティック感受率、分光イメージング等の多角的な手法を総合的に適用し、超伝導とネマティシティの関係に加えて、バンドトポロジーの変化にも注目した実験を行った。特に、準粒子干渉効果の結果から、ネマティシティの消失と、バンド分散の変化が対応していることを見出した。 スピン液晶に関して、キタエフスピン液体候補物質RuCl3に関して、各グループが有する手法を総合的に適用した研究を行った。比熱・NMRの磁場・角度依存性から、スピン液体相におけるマヨラナ準粒子励起を示唆する結果を得た。また、高磁場領域で回転対称性の低下を伴う新たな量子液晶状態を見出した。関連物質の探索もA01班と共同で進めた。特にRuX3 (X = Br, I およびその混晶系)の結晶構造、磁気構造、電子物性を調べた。RuI3に関してはNQRの実験から磁気的なゆらぎの強い金属状態にあることを見出した。また、スキルミオン系でも、中性子小角散乱実験からその変調構造に関して新たな知見が得られた。 電子対液晶に関しては、超伝導状態における非自明な対称性の破れが期待される系として、正方晶Fe(Se,S)単結晶の純良化を図ると共に、人工薄膜での超伝導状態をSTMで研究するための環境整備を開始した。 手法開発に関しては、時間分解磁気光学顕微鏡により強磁性体薄膜のスピンダイナミクスの観測を行い、酸化物薄膜における1ピコ秒より早い超高速消磁観測に成功した。また、実験室に高次高調波発生のビームラインの建設に着手した。また、THz-STMの開発において、実際のシステムにTHz光の導入に成功し、トンネル電流信号観測を行うことができた。
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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
電荷液晶の研究は、FeSeとその置換系を主な対象に順調に推移している。特に笠原グループ・芝内グループで作製された良質な単結晶試料を様々な実験手法で共有することで包括的な実験と解釈が可能になっている。銅酸化物高温超伝導体・鉄系超伝導体以外に電荷液晶現象を示す系の探索と解明が、今後の課題として残されている。 スピン液晶の研究では、キタエフスピン液体候補物質RuCl3におけるマヨラナ準粒子状態の研究で大きな進展があった。これまで、マヨラナ準粒子状態は熱ホール伝導度測定による半整数量子化の観測により示唆されたが、その後、熱伝導度の試料依存性により様々な解釈がなされるようになった。比熱の角度依存性は、マヨラナ粒子の存在の更なる証拠となることに加え、高磁場での新たなスピン液晶状態の存在の示唆にもつながった。また、新たなスピン液晶の舞台として、キタエフ系以外にもJ1-J2 スピン系モデル物質のバナジウム化合物の実験が進行している。 本年度は電子対液晶に関する直接の大きな知見は得られなかったが、新しい電子対液晶探索の舞台の準備は整ってきている。 手法の進展もおおむね順調であるが、導入予定であった極低温NMR用小型希釈冷凍機の導入が、世界的な半導体不足等の影響により翌年度に延期となってしまった。この他は、大型施設を使用せずに実験室での超高速応答測定技術が順調に整備できている。超高速消磁を観測できたことは大きな進展である。また、実験室における高次高調波発生のビームラインの建設も進展している。THz-STMに関しては、トンネル電流の検出という開発の初段階をクリアしたので、今後の極低温・高磁場での動作に対する見通しが得られた。
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Strategy for Future Research Activity |
電荷液晶の研究は、FeSeとそのS置換系、Te置換系の研究を深化させる。とくに、Te置換系におけるネマティシティと超伝導の関係、ネマティック臨界点近傍における超伝導ギャップの詳細に関して、ネマティック感受率や分光イメージングSTMによる研究から明らかにする。また、電荷液晶現象を示す系の探索と電子状態の解明を行い、ネマティック・スメクティック状態と電子相関・超伝導の関係を明らかにする。 スピン液晶に関しては、引き続きキタエフ量子スピン系RuCl3とその関連物質の研究を継続する。特に、強磁場下でのNMR測定からマヨラナ準粒子に関連する磁気励起とマグノン励起の分離を試みる他、関連物質の中性子非弾性散乱を行い、有効スピンハミルトニアンの パラメータ決定を行う。 電子対液晶については、大きな残留状態密度を有する特異な超伝導状態が実現される非ネマティック相のFe(Se,S)における超伝導ゆらぎの効果を精査するために、高精度比熱測定を行う。また、電荷液晶・スピン液晶に比べて、その候補物質の少ない電子対液晶の舞台探索のためにMBEで人工超薄膜を作製し、の分光イメージングSTM測定を行う。 手法開発に関しては、角度分解比熱測定、NMR測定に希釈冷凍機を導入し、測定温度領域を100 mK以下まで拡張する。また、交流法を用いた圧力下の比熱測定や、ベクトル磁場下での分光イメージング測定など、新しい測定パラメータの導入を試みる。この他、超高速X線分光のために開発を進めている実験室系の高次高調波発生のビームラインを完成させ、大型施設であるX線自由電子レーザーを用いないで軟X線パルス光を得ることを目指す。さらに、THz-STMの低温動作を試み、THzパルスの集光や波形・偏光の制御性、トンネル電流のノイズフロアの評価を行う。
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[Journal Article] Photo-induced antiferromagnetic-ferromagnetic and spin-state transition in a double-perovskite cobalt oxide thin film2022
Author(s)
Y. Zhang, T. Katayama, A. Chikamatsu, C. Schussler-Langeheine, N. Pontius, Y. Hirata, K. Takubo, K. Yamagami, K. Ikeda, K. Yamamoto, T. Hasegawa and H. Wadati,
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Journal Title
Communications Physics
Volume: 5
Pages: 50
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Thermodynamic evidence for a field-angle-dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid2022
Author(s)
O. Tanaka, Y. Mizukami, R. Harasawa, K. Hashimoto, K. Hwang, N. Kurita, H. Tanaka, S. Fujimoto, Y. Matsuda, E.-G. Moon, and T. Shibauchi
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 18
Pages: 429-435
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Zigzag magnetic order in the Kitaev spin-liquid candidate material RuBr3 with a honeycomb lattice2022
Author(s)
Y. Imai, K. Nawa, Y. Shimizu, W. Yamada, H. Fujihara, T. Aoyama, R. Takahashi, D. Okuyama, T. Ohashi, M. Hagihala, S. Torii, D. Morikawa, M. Terauchi, T. Kawamata, M. Kato, H. Gotou, M. Itoh, T. J. Sato, and K. Ohgushi,
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 105
Pages: L041112
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Charge-neutral fermions and magnetic field-driven instability in insulating YbIr3Si72022
Author(s)
Y. Sato, S. Suetsugu, T. Tominaga, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Kobayashi, S. Kitagawa, K. Ishida, R. Peters, T. Shibauchi, A. H. Nevidomskyy, L. Qian, J. M. Moya, E. Morosan, and Y. Matsuda
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 13
Pages: 394
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Quasiparticle Nodal Plane in the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov State of FeSe2021
Author(s)
S. Kasahara, H. Suzuki, T. Machida, Y. Sato, Y. Ukai, H. Murayama, S. Suetsugu, Y. Kasahara, T. Shibauchi, T. Hanaguri, and Y. Matsuda
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 127
Pages: 257001
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Tuning the Parity Mixing of Singlet-Septet Pairing in a Half-Heusler Superconductor2021
Author(s)
K. Ishihara, T. Takenaka, Y. Miao, Y. Mizukami, K. Hashimoto, M. Yamashita, M. Konczykowski, R. Masuki, M. Hirayama, T. Nomoto, R. Arita, O. Pavlosiuk, P. Wisniewski, D. Kaczorowski, and T. Shibauchi
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Journal Title
Physical Review X
Volume: 11
Pages: 041048
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Strongly Electron-Correlated Semimetal RuI3 with a Layered Honeycomb Structure2021
Author(s)
K. Nawa, Y. Imai, Y. Yamaji, H. Fujihara, W. Yamada, R. Takahashi, T. Hiraoka, M. Hagihala, S. Torii, T. Aoyama, T. Ohashi, Y. Shimizu, H. Gotou, M. Itoh, K. Ohgushi and T. J. Sato
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 123703
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Determination of local defect density in diamond by double electron-electron resonance2021
Author(s)
S. Li, H. Zheng, Z. Peng, M. Kamiya, T. Niki, V. Stepanov, A. Jarmola, Y. Shimizu, S. Takahashi, A. Wickenbrock, D. Budker
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 104
Pages: 094307
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ultrafast optical stress on BaFe2As22021
Author(s)
T. Suzuki, Y. Kubota, A. Nakamura, T. Shimojima, K. Takubo, S. Ito, K. Yamamoto, S. Michimae, H. Sato, H. Hiramatsu, H. Hosono, T. Togashi, M. Yabashi, H. Wadati, I. Matsuda, S. Shin, and K. Okazaki
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 3
Pages: 033222
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Discovery of mesoscopic nematicity wave in iron-based superconductors2021
Author(s)
T. Shimojima, Y. Motoyui, T. Taniuchi, C. Bareille, S. Onari, H. Kontani, M. Nakajima, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, S. Shin
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Journal Title
Science
Volume: 373
Pages: 1122-1125
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material candidate α-RuCl32021
Author(s)
T. Yokoi, S. Ma, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Shibauchi, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, C. Hickey, S. Trebst, and Y. Matsuda
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Journal Title
Science
Volume: 373
Pages: 568-572
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Topological surface conduction in Kondo insulator YbB122021
Author(s)
Y. Sato, Z. Xiang, Y. Kasahara, S. Kasahara, L. Chen, C. Tinsman, F. Iga, J. Singleton, N. L. Nair, N. Maksimovic, J. G. Analytis, Lu Li, and Y. Matsuda
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Journal Title
Journal of Physics D: Applied Physics
Volume: 54
Pages: 404002
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Description of Resonant Inelastic X-Ray Scattering in Correlated Metals2021
Author(s)
K. Gilmore, J. Pelliciari, Y. Huang, M. Dantz, V. N. Strocov, J. J. Kas, S. Kasahara, Y. Matsuda, T. Das, T. Shibauchi, and T. Schmitt
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Journal Title
Physical Review X
Volume: 11
Pages: 031013
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Magnetic field driven transition between valence bond solid and antiferromagnetic order in a distorted triangular lattice2021
Author(s)
Y. Shimizu, M. Maesato, M. Yoshida, M. Takigawa, M. Itoh, A. Otsuka, H. Yamochi, Y. Yoshida, G. Kawaguchi, D. Graf, and G. Saito
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 3
Pages: 023145
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Total reflection hard x-ray photoelectron spectroscopy: Applications to strongly correlated electron systems2021
Author(s)
T. Mizutani, S. Tanaka, T. Saze, K. Fujii, H. Matsuoka, M. Nakano, H. Wadati, M. Kitamura, K. Horiba, Y. Iwasa, H. Kumigashira , M. Yoshiki, and M. Taguchi
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: 205113
DOI
Peer Reviewed
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