2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H02106
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
芝内 孝禎 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水上 雄太 東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (80734095)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子臨界点 / BCS-BECクロスオーバー / フェルミエネルギー / 強結合超伝導 / 超伝導揺らぎ / 電子ネマティック秩序 / 非従来型超伝導 / 擬ギャップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子臨界点近傍の超伝導について着目し、量子臨界性に伴う様々な異常物性が超伝導にどのように影響を及ぼすかを明らかにすることを目的としている。特に、量子臨界点近傍では、有効質量の増大に伴い、フェルミエネルギーが小さくなるため、それに伴い、超伝導の結合力の増大により、BCS-BECクロスオーバーの物理を展開することが可能になることが期待される。平成27年度は、特にフェルミエネルギーが小さい電子構造を持つ、FeSe系超伝導体に焦点を当てた研究を展開した。
まず、FeSe純良単結晶試料を用いて、BCS-BECクロスオーバー領域で期待される、転移温度以上の常伝導状態の広い温度領域にわたる前駆的な電子対形成（プリフォームドペア）の有無を調べた。具体的には、磁気トルク測定による詳細な超伝導反磁性成分の定量化を行い、通常の超伝導揺らぎの理論であるガウシアン揺らぎとの比較を行った。その結果、通常に比べ非常におおきな反磁性成分が、転移温度の約2倍程度の高温まで存在することが明らかになり、プリフォームドペアが存在していることを明らかにした。この成果は、今まで実在の固体では困難であった、BCS-BECクロスオーバーの物理学を、この系で詳細に調べることができるようになったという点で重要である。
さらに、FeSeでは、90ケルビンで正方晶から直方晶への構造相転移を示し、大きなab面内異方性を生じる電子ネマティック秩序が形成されることがしられているが、Seサイトを等電荷数を持つSで一部置換した系において、電子ネマティック相を抑制し、この相の量子臨界点を実現することに成功した。この量子臨界点はよく見られる反強磁性相の量子臨界点とは異なり、磁性を示さず、回転対称性の破れた秩序の新しい量子臨界点であり、この量子臨界性が超伝導にどのように影響を及ぼすかを調べることが重要な課題となると考えられる。
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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
平成27年度については、FeSe系に焦点を当てた研究を行い、まず、その電子構造の決定のために高磁場磁気抵抗による量子振動測定を行った。その結果、低温における電子ネマティック相では、マルチバンドの電子構造を持ち、すべてのバンドのフェルミエネルギーが数meV程度の非常に小さいことが明らかになった。この小さなフェルミエネルギーは、この系の超伝導のエネルギーギャップと同程度であり、通常の超伝導で期待される振る舞いとは大きく異なる。このようなフェルミエネルギーに比べ非常に「大きな」超伝導ギャップを持つ系では、超伝導の本質である電子対形成にかかわる結合力が非常に大きいことを意味しており、弱結合結合の超伝導理論であるBCS理論と、強結合極限の理論であるボーズ凝縮（BEC)のクロスオーバー領域に位置しているということができる。このBCS-BECクロスオーバーは主に冷却原子系で研究がなされているが、実在の固体では研究対象物質が存在しなかった。本研究により、このような物理学の展開が可能になったといえる。本研究では、磁気トルク測定により、この系の巨大な超伝導揺らぎを発見し、クロスオーバー領域で期待されるプリフォームドペアの存在を示唆する結果を得た。
さらに、FeSe系における電子ネマティック秩序とその量子臨界点の研究を展開した。特に、ネマティック揺らぎの定量化にあたり、ピエゾ素子を活用した、ネマティック感受率の測定システムを立ち上げ、S置換によりネマティック転移温度が抑制されるにつれて、ネマティック感受率が非常に増大することが明らかになった。この結果は、ネマティック量子臨界点でネマティック揺らぎが増大していることを直接示した結果である。
以上より、本研究は順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度の成果を受けて、FeSe系のBCS-BECクロスオーバーの物理学のさらなる発展を目指す。まず、プリフォームドペアの形成に伴う物性の変化を明らかにする。特に、状態密度の減少として現れる、いわゆる擬ギャップがあるかどうかについて、様々な物性測定により明らかにすることを目指す。この擬ギャップは、銅酸化物高温超伝導体の超伝導発現機構に深くかかわっている可能性が長く議論されているが、BCS-BECクロスオーバーと擬ギャップを明らかにできれば、その理解の一助になることが期待される。
また、この超伝導揺らぎのより直接的な観測を目指し、走査型SQUID顕微鏡の測定を行い、超伝導反磁性のミクロな分布に関する情報を得る。
さらに、FeSe/S系で存在が明らかになった、電子ネマティック秩序の量子臨界点について、超伝導に与える影響を調べる。特に、反強磁性量子臨界点で見られた超伝導電子有効質量の増大が、非磁性ネマティック量子臨界点でも見られるかどうかについて、磁場侵入長測定と精密比熱測定により明らかにする。さらに、S置換した系における量子振動測定を行い、電子構造が量子臨界点近傍でどのように変化するかを明らかにする。
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| Remarks |
研究内容の紹介
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[Journal Article] Nematic Magnetoelastic Effect Contrasted between Ba(Fe1-xCox)2As2 and FeSe2016
Author(s)
Y. Hu, X. Ren, R. Zhang, H. Luo, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, P. Dai, Y. Zhang, Y. Matsuda, and Y. Li
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 93
Pages: 060504(R)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Fermi Surface Reconstruction in FeSe under High Pressure2016
Author(s)
T. Terashima, N. Kikugawa, A. Kiswandhi, D. Graf, E.-S. Choi, J. S. Brooks, S. Kasahara, T. Watashige, Y. Matsuda, T. Shibauchi, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen, and S. Uji
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 93
Pages: 094505
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pressure-Induced Antiferromagnetic Transition and Phase Diagram in FeSe2015
Author(s)
T. Terashima, N. Kikugawa, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, Y. Matsuda, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen, and S. Uji,
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Journal Title
J. Phys. Soc. Jpn.
Volume: 84
Pages: 063701
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Dichotomy between the Hole and Electrons Behavior in the Multiband FeSe Probed by Ultra High Magnetic Fields2015
Author(s)
M. D. Watson, T. Yamashita, S. Kasahara, W. Knafo, M. Nardone, J. Beard, F. Hardy, A. McCollam, A. Narayanan, S. F. Blake, T. Wolf, A. A. Haghighirad, C. Meingast, A. J. Schofield, H. von Lohneysen, Y. Matsuda, A. I. Coldea, and T. Shibauchi
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 115
Pages: 027006
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Momentum-Dependent Sign Inversion of Orbital Order in Superconducting FeSe2015
Author(s)
Y. Suzuki, T. Shimojima, T. Sonobe, A. Nakamura, M. Sakano, H. Tsuji, J. Omachi, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami, T. Watashige, R. Kobayashi, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Y. Yamakawa, H. Kontani, and K. Ishizaka
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 92
Pages: 205117
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] FeSe純良単結晶における高圧下電気抵抗率測定2016
Author(s)
松浦康平, 水上雄太, 下澤雅明, 松林和幸, 山下穣, 上床美也, 綿重達哉, 笠原成, J. P. Sun, G. Z. Ye, J. Q. Yan, J.-G. Cheng, 松田祐司, 芝内孝禎
Organizer
日本物理学会 第71回年次大会
Place of Presentation
東北学院大学
Year and Date
2016-03-19 – 2016-03-22
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[Presentation] FeSe純良単結晶における高圧下X線回折2016
Author(s)
水上雄太, 松浦康平, 細井優, 綿重達哉, 笠原成, 前島尚行, 町田晃彦, 綿貫徹, 福田竜生, 松田祐司, 芝内孝禎
Organizer
日本物理学会 第71回年次大会
Place of Presentation
東北学院大学
Year and Date
2016-03-19 – 2016-03-22
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[Presentation] Nematic quantum criticality in FeSe1-xSx revealed by elastoresistance measurements2016
Author(s)
S. Hosoi, K. Matsuura, K. Ishida, Hao Wang, Y. Mizukami, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore, MD, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
Int'l Joint Research
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