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2016 Fiscal Year Research-status Report

超低温測定によるf電子系化合物の量子臨界現象の研究

Research Project

Project/Area Number 16K17743
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

杉井 かおり  東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (40749404)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords低温物性 / 物性実験 / 重い電子系化合物 / 量子臨界点
Outline of Annual Research Achievements

絶対零度における相転移点である「量子臨界点(QCP)」近傍では、量子ゆらぎの発達による異常物性が観測されている。とりわけf電子を含む希土類化合物では、f電子の多自由度によってQCP近傍で複雑な電子相図の実現が期待される。しかし、f電子系はエネルギースケールが非常に小さいため、その相図を理解するには希釈冷凍機温度までの測定では不十分であった。そこで本研究は、1 mKという超低温で磁化測定と量子振動測定が可能なシステムを開発し、それを用いてf電子系化合物のQCP近傍における異常な電子状態を解明することを目的とする。磁場下QCP近傍の相図やQCPの性質をフェルミ面の観点から解明することができれば、強相関電子系の量子臨界性に関する研究を大きく発展させることができる。
CeCoIn5はf電子系物質の中でもとりわけ良く研究されている物質であるが、QCP近傍の電子状態は未解明である。CeCoIn5は2.3 K以下で超伝導相へ相転移し、[001]方向の臨界磁場Hc2~5 Tで超伝導が壊れフェルミ液体相へ転移する。このHc2の近傍においてQCPが存在していると言われている。これまでの量子振動測定から、Hc2に向かって有効質量が増大する可能性が指摘されているが、Hc2が低いためにHc2近傍における量子振動は観測されていない。また、CeCoIn5の超伝導転移はHc2近傍において1次相転移であることが実験により明らかとなっている。よってHc2近傍に2次相転移が存在する可能性が考えられるが、希釈冷凍機温度までの測定では磁気秩序相は観測されていない。よって、Hc2近傍においてどのように電子状態が変化するかを明らかにするために、超低温において磁気トルクによるdHvA振動測定を行った。その結果、超低温領域においてなんらかの相転移によるdHvA振動の振動数のとびが観測された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

まず、超低温でもなるべく発熱のすくない測定手法であるキャパシタンス法によって試料の磁気トルク測定を行い、磁化の量子振動であるドハース・ファンアルフェン(dHvA)振動を観測することを試みた。この方法は試料の磁気トルクのわずかな変化をキャパシタンスの変化として読み取ることができ、試料に電流が流れないため発熱が小さいという利点がある。この手法を用いることで、CeCoIn5のdHvA振動を10 mKの超低温まで観測した。磁場は[001]方向に10 Tまで印加したところ、CeCoIn5の超伝導相の外側の領域で量子振動を観測し、約20 mKにおいて量子振動の振動数が不連続に飛ぶことを見出した。この挙動は、何らかの秩序相への転移によるものと考えられる。この相転移は[001]方向では今まで観測されていない反強磁性転移の可能性がある。

Strategy for Future Research Activity

CeCoIn5では磁場を伝導面内に印加したとき、Q-phaseと呼ばれる磁性相があることが知られている。この磁性相について調べるために、この磁場方向においても量子振動測定を行い有効質量や振動数の変化を調べる。また、CeCoIn5での測定手法を用いて、YbRh2Si2においても超低温領域で量子振動測定を行う。振動振幅の温度による減衰から有効質量の磁場依存性を求め有効質量が発散的に増大するかを調べる。
さらに、高感度磁化測定機構を開発する。磁場勾配をつけるためのコイルを自作し、超伝導マグネットの内側に設置する。電極バネのついたキャパシタンスに試料を乗せ、磁場勾配中で試料にかかる力をキャパシタンスの変化として測定する。キャパシタンスの変化量から、磁化の大きさを精密に測定することが可能である。CeCoIn5の磁化の温度変化を測定することで、超低温における磁気秩序相の性質を明らかにする。

Causes of Carryover

年度途中に新たに国立大学改革強化推進補助金に採択され、研究費を得たため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

測定用PCの購入や国際学会での発表費用に充てる。

  • Research Products

    (16 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Thermal Hall Effect in a Phonon-Glass Ba3CuSb2O92017

    • 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] Hybridization Effect in BaFe2(As1-xPx)2 Observed by Hard X-ray Photoemission Spectroscopy2017

    • Author(s)
      Shunsuke Tsuda, Naoki Kikugawa, Kaori Sugii, Shinya Uji, Shigenori Ueda, Masao Arai, Masamichi Nakajima, Akira Iyo, and Hiroshi Eisaki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 86 Pages: 053702

    • DOI

      10.7566/JPSJ.86.053702

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Emergence of nontrivial magnetic excitations in a spin-liquid state of kagome volborthite2016

    • 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

      PNAS

      Volume: 113 Pages: 8653-8657

    • DOI

      10.1073/pnas.1524076113

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Superconducting subphase in the layered perovskite ruthenate Sr2RuO4 in a parallel magnetic field2016

    • Author(s)
      Naoki Kikugawa, T. Terashima, Shinya Uji, Kaori Sugii, Yoshiteru Maeno, David Graf, Ryan Baumbach, and James Brooks
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 93 Pages: 184513

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.184513

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 II2017

    • 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
      第72回日本物理学会年次大会
    • 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a-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
      第72回日本物理学会年次大会
    • 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
      第72回日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学、大阪府豊中市
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] 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
      第72回日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学、大阪府豊中市
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] Sr2RuO4の面並行磁場下での磁気トルク2017

    • Author(s)
      菊川直樹, 寺嶋太一, 宇治進也, 杉井かおり, 前野悦輝, David Graf, Ryan Baumbach, James Brooks
    • Organizer
      第72回日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学、大阪府豊中市
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] Anomalous thermal and magnetic properties of the chiral antiferromagnet Mn3Sn2017

    • 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 freedom2017

    • 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, 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
  • [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
      2016年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] 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
      2016年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
      2016年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 Ba3CuSb2O92016

    • 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
      Taipei, Taiwan
    • Year and Date
      2016-09-07 – 2016-09-11
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 格子振動による熱流が磁場で曲がることを発見

    • URL

      http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/release20170322.pdf

URL: 

Published: 2018-01-16  

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