2017 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamical charge correlation of strongly correlated electrons studied by resonant inelastic scattering of synchrotron x-rays
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16H04004
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
石井 賢司 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (40343933)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 全基 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20303894)
筒井 健二 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (80291011)
水木 純一郎 関西学院大学, 理工学部, 教授 (90354977)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 物性実験 / 量子ビーム / 強相関電子系 / 光物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は、技術発展が著しい放射光Ｘ線共鳴非弾性散乱法（RIXS）を用い、銅酸化物を対象として、動的電荷相関の観測から、強相関電子の運動状態を支配する電子間クーロン相互作用の効果、さらに、より低エネルギーに現れるスピン揺らぎ・格子振動と結合した電荷ダイナミクスを明らかにすることが目的である。本年度は以下の成果を得た。
1. 昨年度の研究でホールドープ系銅酸化物に対する有用性が実証された酸素K吸収端RIXSを用い、La2-xSrxCuO4における電荷励起の温度依存性を測定し、高ホール濃度試料の低波数で顕著な変化を示すことがわかった。この変化はスピン相関の消失と関係していると考えられ、今後、その検証を進める予定である。
2. 電子ドープ系銅酸化物では、超伝導発現のためには結晶作成後のアニール処理が必要であることが知られている。銅K吸収端のRIXSを用いてアニール処理がNd2-xCexCuO4の電荷励起に与える影響を調べた。
3. 銅K吸収端の実験技術開発として、昨年度購入した光学素子、制御ステージ等をビームラインに導入し、エネルギー分解能を30 meVにまで向上させることができた。
4. 銅L3吸収端RIXSにおける内殻正孔寿命の大きさがスペクトルに与える影響を理論的に研究した。スピン反転励起スペクトルではその影響がほとんど見られないのに対し、スピン非反転励起では顕著に影響が現れ、寿命の大きさにより2マグノン励起と電荷励起の強度比が変わることでスペクトルが変化することがわかった。
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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
当初から期待していた通り、酸素K吸収端RIXSがホールドープ系銅酸化物の電荷励起の観測手法として極めて有効であることが実証でき、論文として報告することができた。さらに、この方法を用いた温度依存性の研究も着実に進んでいる。電子ドープ系のアニール効果は当該分野における最近の重要なテーマとなっており、本研究の目的とも合致することから、研究を開始し、着実にデータが蓄積してきている。技術開発に関しても、当初の目標であった銅K吸収端で30 meVのエネルギー分解能を達成できており、実試料の測定へと進められる状況となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
電子ダイナミクスにおける電荷とスピンの結合は強相関電子系の特徴であり、電荷・スピン励起は温度によっても変化すると期待できる。ホールドープ系の電荷励起に関しては、酸素K吸収端RIXSにより明らかにできつつある。電子ダイナミクスの包括的な理解のためにはもう一方のスピン励起に関しても同様の測定が必要、特に電荷励起に温度変化が現れた高ホール濃度側で銅L3吸収端RIXSの方が検出感度の点で中性子非弾性散乱より有利であり、その測定を目指す。
電子ドープ系Nd2-xCexCuO4については、アニール効果が電荷・スピン励起に与える影響に注目した測定を継続する。未測定となっている高Ce濃度側、特に超伝導が発現するx = 0.15付近を中心に、銅K吸収端 RIXSで電荷励起、銅L3吸収端RIXSでスピン励起を観測する。ホールドープ系と同様に温度変化も予想されることから、温度依存性の測定も行う。
高エネルギー分解能の銅K吸収端RIXSについては、実試料では測定が長時間必要となる。課題となる可能性がある装置の安定性を保つための方策を試みつつ、高い散乱強度が期待できる軽元素のみでできた試料の測定を開始する。
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Research Products
(18 results)
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[Journal Article] Observation of momentum-dependent charge excitations in hole-doped cuprates using resonant inelastic x-ray scattering at the oxygen K edge2017
Author(s)
Kenji Ishii, Takami Tohyama, Shun Asano, Kentaro Sato, Masaki Fujita, Shuichi Wakimoto, Kenji Tustsui, Shigetoshi Sota, Jun Miyawaki, Hideharu Niwa, Yoshihisa Harada, Jonathan Pelliciari, Yaobo Huang, Thorsten Schmitt, Yoshiya Yamamoto, Jun’ichiro Mizuki
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 96
Pages: 115148-1--7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] 酸素Ｋ吸収端共鳴非弾性Ｘ線散乱によるホールドープ型銅酸化物超伝導体の電荷励起2018
Author(s)
石井賢司, 遠山貴巳, 浅野駿, 佐藤研太朗, 藤田全基, 脇本秀一, 宮脇淳, 丹羽秀治, 原田慈久, J. Pelliciari, Y. Huang, T. Schmitt, 山本義哉, 水木純一郎
Organizer
第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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[Presentation] 酸素K吸収端共鳴非弾性X線散乱によるホールドープ型銅酸化物超伝導体の電荷励起2018
Author(s)
石井賢司, 遠山貴巳, 浅野駿, 佐藤研太朗, 藤田全基, 脇本秀一, 宮脇淳, 丹羽秀治, 原田慈久, J. Pelliciari, Y. Huang, T. Schmitt, 山本義哉, 水木純一郎
Organizer
日本物理学会第73回年次大会
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[Presentation] Observation of a dispersive charge mode in hole-doped cuprates using resonant inelastic x-ray scattering at the oxygen K edge2017
Author(s)
Kenji Ishii, Takami Tohyama, Shun Asano, Kentaro Sato, Masaki Fujita, Shuichi Wakimoto, Kenji Tustsui, Shigetoshi Sota, Jun Miyawaki, Hideharu Niwa, Yoshihisa Harada, Jonathan Pelliciari, Yaobo Huang, Thorsten Schmitt, Yoshiya Yamamoto, and Jun’ichiro Mizuki
Organizer
The 10th international conference on inelastic x-ray scattering
Int'l Joint Research
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