走査型SQUID顕微鏡を用いた強相関電子系超伝導体の研究

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K17742
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 下澤 雅明 東京大学, 物性研究所, 助教 (40736162)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 走査型磁気顕微鏡 / ワイルフェルミオン / ベリー位相 / 軌道磁化 / 量子スピン液体

Outline of Annual Research Achievements

走査型磁気顕微鏡を用いて時間反転対称性の破れたワイルフェルミオン物質Mn3Snで期待されているベリー位相由来の（遍歴）軌道磁化を直接観測することに取り組んだ。この軌道磁化は、一般的に知られているスピン磁化と異なる空間分布を示す。そこで我々は、試料の各場所における局所磁化を精密に評価することで、スピン磁化から遍歴的な軌道磁化を抽出することに世界で初めて成功した。本研究によって軌道磁化とスピン磁化が互いに逆方向を向いていることが分かり、この結果は第１原理計算による理論とよく一致している。また、先行研究の異常ホール伝導度が温度を下げるにつれて増大するので、軌道磁化も低温で大きくなることが期待されていた。幅広い温度領域（室温から低温）で局所磁化を測定した結果、低温で軌道磁化が増大することを確認した。現在これらの内容をまとめており、近日中に論文を投稿する予定である。
さらに本年度は、κ-H3(Cat-EDT-TTF)2がどのようなメカニズムで量子スピン液体状態を実現しているのかを解明するために、元素置換系であるκ-H3(Cat-EDT-d4-TTF)2とκ-H3(Cat-EDSe-TTF)2の研究を行った。元素置換を行うことで、プロトンの量子揺らぎを系統的にコントロールすることができる。熱伝導率・トルク測定から、プロトン揺らぎがスピン液体状態を安定化するために重要な役割を果たしている結果が得られた。上記の内容は、既に物理学会などで発表した。今後、ESR・誘電率測定・走査型SQUID顕微鏡による局所磁化測定などを行うことで、Cat系で実現している量子スピン液体状態についてより詳細に調べる予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

走査型磁気顕微鏡を用いて、時間反転対称性の破れたワイルフェルミオン物質Mn3Snの研究を行い、ベリー位相由来の（遍歴）軌道磁化を直接観測することに世界で初めて成功した。本来予定していた超伝導研究とは大きくかけ離れてしまったが、時間反転対称性の破れたワイルフェルミオン物質の研究は緊急性を要するものでありやむを得なかった。ただ上記の研究により、走査型磁気顕微鏡による局所磁化測定は超伝導研究以外にも有用であることを示すことができた。さらにMn3Snの研究で、走査型磁気顕微鏡に関する多くのノウハウを手に入れることができた。これは、今後の超伝導研究を円滑に進めて行く上で非常に重要である。以上から、本研究の進捗状況は良好であると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、走査型磁気顕微鏡を用いて、銅酸化物高温超伝導体やウラン化合物の超伝導研究を行う。銅酸化物高温超伝導体に関しては、擬ギャップと超伝導の関連性を明らかにするために、超伝導相内に擬ギャップ（相）に関する量子臨界点が存在するかどうかなどを確かめる予定である。ウラン化合物に関しては、時間反転対称性の破れに伴う自発磁化の直接観測を行うつもりである。

Causes of Carryover

本年度は当初の予定とは異なり、液体ヘリウムをほとんど使わなかった。そのため、来年度のヘリウム代に回すためお金を残している。

Expenditure Plan for Carryover Budget

液体ヘリウム代、TMR（磁気センサー）を購入する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Thermal Hall Effect in a Phonon-Glass Ba3CuSb2O9 (2017)
  • Author(s): K. Sugii, M. Shimozawa, D. Watanabe, Y. Suzuki, M. Halim, M. Kimata, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, M. Yamashita
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 118 Pages: 145902
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.145902
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dome-shaped magnetic order competing with high-temperature superconductivity at high pressures in FeSe (2016)
  • Author(s): J. P. Sun, K. Matsuura, G. Z. Ye, Y. Mizukami, M. Shimozawa, K. Matsubayashi, M. Yamashita, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, J. -Q. Yan, B. C. Sales, Y. Uwatoko, J. -G. Cheng, and T. Shibauchi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7 Pages: 12146
  • DOI: 10.1038/ncomms12146
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] From Kondo lattices to Kondo superlattices (2016)
  • Author(s): Masaaki Shimozawa, Swee K Goh, Takasada Shibauchi, and Yuji Matsuda
  • Journal Title: Reports on Progress in Physics Volume: 79 Pages: 074503
  • DOI: 10.1088/0034-4885/79/7/074503
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tuning the Magnetic Quantum Criticality of Artificial Kondo Superlattices CeRhIn5/YbRhIn5 (2016)
  • Author(s): T. Ishii, R. Toda, Y. Hanaoka, Y. Tokiwa, M. Shimozawa, Y. Kasahara, R. Endo, T. Terashima, H. Nevidomskyy, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 116 Pages: 206401
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.206401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of nontrivial magnetic excitations in a spin-liquid state of kagome volborthite (2016)
  • Author(s): Daiki Watanabe, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Yoshitaka Suzuki, Takeshi Yajima, Hajime Ishikawa, Zenji Hiroi, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, and Minoru Yamashita
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America Volume: 113 Pages: 8653--8657
  • DOI: 10.1073/pnas.1524076113
  • Peer Reviewed
• [Presentation] カイラル反強磁性体Mn3Snの局所磁化測定 (2017)
  • Author(s): 向笠清隆, 下澤雅明, 鈴木喜貴, 山下穣, Muhammad Ikhras, 冨田崇弘, 肥後友也, 中辻知, Marcin Konczykowski, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 芝内孝禎, 近藤潤, 杉井かおり, 中村壮智, 勝本信吾
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] プロトン-π電子相関系における量子スピン液体状態：元素置換効果の考察 (2017)
  • Author(s): 近藤潤, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 木俣基, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における熱Hall効果測定 (2017)
  • Author(s): 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 山下穣, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 II (2017)
  • Author(s): 田代光輝, 山田章悟, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] CeCoIn5薄膜におけるブロードなNQRスペクトルと核スピン 格子緩和率の分布 (2017)
  • Author(s): 山中隆義, 下澤雅明, 遠藤僚太, 水上雄太, 宍戸寛明, 北川俊作, 池田浩章, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司, 石田憲二
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 層数制御したCeCoIn5/CeRhIn5ハイブリッド超格子における超伝導と磁性 (2017)
  • Author(s): 三宅聡平, 鳥井陽平, 石井智大, 成塚政裕, 笠原成, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司, 芝内孝禎, 下澤雅明
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] CeCoIn5/CeRhIn5ハイブリッド超格子の圧力下における超強結合状態 (2017)
  • Author(s): 成塚政裕, Priscila F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronning, Joe D. Thompson, 石井智大, 三宅聡平, 下澤雅明, 芝内孝禎, 常盤欣文, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 59Co-NMRによる人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5とCeCoIn5/YbCoIn5の比較 (2017)
  • Author(s): 仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 宍戸寛明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 水上雄太, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] トリコロール近藤超格子におけるエキゾチック超伝導相 (2017)
  • Author(s): 石井智大, 成塚政裕, 三宅聡平, 下澤雅明, 笠原成, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 石田憲二, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] Emergent superconductivity in tricolor Kondo superlattices (2017)
  • Author(s): Yuichi Kasahara, Y. Naritsuka, T. Ishii, S. Miyake, T. Terashima, Y. Matsuda, Y. Tokiwa, M. Shimozawa, T. Shibauchi
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: ニューオーリンズ（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Maximizing superconducting coupling strength in heavy-fermion hybrid superlattices of CeCoIn5/CeRhIn5 (2017)
  • Author(s): Masahiro Naritsuka, Tomohiro Ishii, Souhei Miyake, Yuichi Kasahara, Takahito Terashima, Yuji Matsuda, Yoshifumi Tokiwa, Masaaki Shimozawa, Takasada Shibauchi, P. F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronning, Joe D. Thompson
  • Organizer: APS March meeting 2017
  • Place of Presentation: ニューオーリンズ（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous thermal and magnetic properties of the chiral antiferromagnet Mn3Sn (2017)
  • Author(s): M. Shimozawa, K. Sugii, Y. Imai, J. Kondo, Y. Suzuki, M. Yamashita, T. Nakamura, S. Katsumoto, M. Ikhras, T. Higo, T. Tomita, N. Kiyohara, S. Nakatsuji, M. Konczykowski, Y. Matsuda, K. Mukasa, K. Matsuura, Y. Mizukami, T. Shibauchi
  • Organizer: TPFC2017
  • Place of Presentation: 東京大学（千葉県柏市）
  • Year and Date: 2017-02-20 – 2017-02-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum spin liquid induced by entangled electron-proton degrees of freedom (2017)
  • Author(s): M. Shimozawa, K. Hashimoto, A. Ueda, Y. Suzuki, K. Sugii, S. Yamada, Y. Imai, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, H. Mori, T. Sasaki, and M. Yamashita
  • Organizer: CEMS-QPEC Symposium on Emergent Quantum Materials
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 2017-01-18 – 2017-01-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mn3Snの異常熱ホール効果 (2016)
  • Author(s): 杉井かおり, 今井悠介, 下澤雅明, Muhammad Ikhlas, 清原直樹, 冨田崇弘, 中辻知, 山下穣
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 量子スピン液体候補物質κ-(ET)2Ag2(CN)3 の熱伝導率測定 (2016)
  • Author(s): 近藤潤, 下澤雅明, 山下穣, 前里光彦, 平松孝章, 吉田幸大, 齋藤軍治
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 (2016)
  • Author(s): 田代光揮, 山田章悟, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] CeCoIn5トリコロール超格子によるPauli対破壊効果の人工制御 (2016)
  • Author(s): 三宅聡平, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 石田憲二, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] CeRhIn5/CeCoIn5ハイブリッド超格子における圧力下強結合超伝導状態の実現 (2016)
  • Author(s): 成塚政裕, 石井智大, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] RCoIn5薄膜（R = Ce, Yb）における核四重極共鳴測定 (2016)
  • Author(s): 山中隆義, 下澤雅明, 北川俊作, 遠藤僚太, 水上雄太, 宍戸寛明, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司, 石田憲二
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 重い電子系超伝導化合物CeCoIn5と反強磁性化合物CeRhIn5の人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5のNMR (2016)
  • Author(s): 仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] カゴメ格子フラストレート系ボルボサイトの熱輸送異方性測定 (2016)
  • Author(s): 山下穣, 杉井かおり, 下澤雅明, 石川孟, 矢島健, 廣井善二, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Thermal transport properties of quantum spin liquid candidate Ba3CuSb2O9 (2016)
  • Author(s): Kaori Sugii, M. Shimozawa, D. Watanabe, Y. Suzuki, M. Halim, M. Kimata, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, M. Yamashita
  • Organizer: HFM2016
  • Place of Presentation: 台北市（台湾）
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-11
  • Int'l Joint Research