2018 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. 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。アニール処理が電子ドープ系銅酸化物Nd2-xCexCuO4の電荷励起、スピン励起に与える影響を調べるため、銅K吸収端、銅L3吸収端のRIXS実験を行った。その結果、Ceを置換していない母物質においても還元アニール処理を行うことで電子がドープされること、超伝導が現れるCe濃度の試料でRIXSにより観測されるおよそ200 meV以上のスピン励起は還元アニールの前後でほとんど変化しないことがわかった。後者は、より低エネルギーのスピン励起が超伝導発現に重要であることを示唆するものである。
2. 昨年度の研究で見出したホールドープ系銅酸化物La2-xSrxCuO4の電荷励起の高温での消失がスピン揺らぎの変化と関連していると考え、同物質のスピン励起の温度依存性を測定し、高温ではスピン励起がソフト化する結果を得た。
3. 高分解能化が達成できた銅K吸収端RIXSの最初の測定として、励起構造が比較的よくわかっている頂点共有一次元鎖銅酸化物Sr2CuO3の実験を行った。
4. 電荷励起の観測での有効性が実証された酸素K吸収端のRIXSでは、銅酸化物La2-xSrxCuO4との対比として、同じ結晶構造をもつニッケル酸化物La2-xSrxNiO4の測定を行った。銅酸化物とは対照的に、ニッケル酸化物の電荷励起は運動量依存性が小さいことがわかった。
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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
2018年度は実験データの取得に重きをおき、RIXSでの吸収端を使い分けることで、銅酸化物のいくつかの課題について、電荷励起およびそれに関連したスピン励起の測定結果が順調に得られてきている。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、Ce置換のない母物質（x = 0）、ドープされた反強磁性であるx = 0.05、アニール処理により超伝導が発現するx = 0.16の三試料に対し、系統的な電荷・スピン励起の測定が完了した。技術開発要素であった銅K吸収端RIXSについても、実試料の測定を開始することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は本課題の最終年度であることから、系統的な測定が完了した電子ドープ系のアニール効果、ニッケル酸化物の電荷励起などを中心に得られた実験結果を取りまとめ、学会等での発表や論文執筆を行う。
高エネルギー分解能の銅K吸収端RIXSについては、実試料を用いた実験を開始したものの、2018年度終了時点では励起の観測には至っていない。高い散乱強度が期待できる軽元素のみでできた試料を選んでいるものの、高分解能化に伴う強度低下が著しく測定には長時間を要する。2019年度は十分なビームタイムを確保し、励起観測を目指す。
新たな研究課題として、銅K吸収端RIXSを用いた電子ドープ系銅酸化物Nd2-xCexCuO4における波数(pi,pi)近傍の電荷相関の発達の探索を開始する。最近の理論研究によれば、すでに実験で観測されている(pi,0)方向の電荷秩序は副次的なものであり、波数(pi,pi)近傍で電荷相関関数が強い大きな値を持った、より強い電荷秩序が予想されることが示されている。(pi,0)方向の電荷秩序観測に使用されてきた銅L3吸収端RIXSは、波長の制約により波数(pi,pi)近傍を調べることができないため、波長による制約のない銅K吸収端のRIXSを利用して、（準）弾性散乱として現れる(pi,pi)近傍の電荷相関の増大を探索する。
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