2019 Fiscal Year Research-status Report

Experimental study of magnetic properties of multi-layered Dirac fermion system

Research Project

Project/Area Number	17K05557
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	鴻池貴子国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (70447316)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2021-03-31
Keywords	有機導体 / ディラック電子 / 反磁性
Outline of Annual Research Achievements	本研究は，バルク結晶でありながら圧力下でグラフェンと同様の線形分散を持つことが知られている有機導体を対象として圧力下磁化率測定を行い，ディラック電子系特有の磁気物性，特にバンド間磁場効果による巨大軌道反磁性を実験的に明らかにすることを目的とする．本研究は，グラフェンでは正確な測定が困難な磁気物性を，有機導体のバルク結晶としての利点を活かして初めて実験的に解明しようとするものであり，圧力下有機導体の高感度磁化率測定技術を確立するという点においても大きな意義がある．本研究では，まずはじめに様々な箇所からくる外因性のシグナルを徹底的に排除することにより，圧力下交流磁化率測定技術を確立することが出来た．またこの手法を有機ディラック系単結晶に適用し，圧力下において明瞭で巨大な反磁性磁化率を初めて観測することに成功した．また，驚くべきことに，反磁性は，質量ゼロのディラック電子相だけでなく，ギャップのある有限質量のディラック電子相や電荷秩序相でも観測され，ギャップのある相の方がより反磁性が安定化されることが分かった．この原因としては，本有機ディラック電子系において，フェルミエネルギーがディラック点からわずかにシフトしていることが考えられる．巨大な反磁性が現れる原因としては，バンド間磁場効果による軌道反磁性の他に超伝導が考えられる．そこで磁化率を測定した試料を用いて電気抵抗測定を行い，超伝導の兆しが見られないことを確認した．このことから，観測された反磁性はディラック電子の軌道反磁性である可能性が高い．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の予定通り，本研究において有機導体単結晶における精密な圧力下交流磁化率測定技術を開発することができた．また，当初目標として掲げた，質量ゼロの有機ディラック電子系において，明瞭で巨大な反磁性を観測することに初めて成功した．また，驚くべきことに，反磁性は，質量ゼロのディラック電子相だけでなく，有限質量のディラック電子相や電荷秩序相でも観測され，ギャップのある相の方がより反磁性が安定化されることが分かった．この原因としては，フェルミエネルギーがディラック点からわずかにシフトしていることが考えられる．
Strategy for Future Research Activity	今回の研究によって，有機ディラック電子系物質において巨大な反磁性が観測されることが初めて明らかとなった．本物質では圧力印加により電子状態を変化させることができ，加圧に伴って，ギャップの開いた電荷秩序相，有限質量ディラック相，ギャップレスの質量ゼロのディラック相へと変化させることができる．反磁性はこれらの3つの相すべてにおいて観測され，ギャップの開いた低圧力相の方がより安定化する傾向が見られた．今後は反磁性のより詳細な圧力依存性を調べ，圧力に対する反磁性の相図を明らかにしていきたい．
Causes of Carryover	新型コロナウイルスの発生により日本物理学会が急遽中止となり，学会への旅費が不要となったため，次年度使用額が生じた．本予算は，次年度の学会等出張旅費として使用することを計画している．