2017 Fiscal Year Research-status Report
純良単結晶によるウラン系エキゾチック超伝導の対称性と磁気応答の研究
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17K14328
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
清水 悠晴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90751115)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 非従来型超伝導 / アクチノイド化合物 / 超伝導対称性 / 磁気応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では5f電子をもつウラン系強相関電子化合物における超伝導発現機構を理解する上で重要な手がかりとなる超伝導の対称性及び非フェルミ液体異常のメカニズムの解明を目的とし、純良単結晶及び、極低温精密物性測定を中心に研究を行っている。ウラン系超伝導体においては、超伝導対形成引力を反映する超伝導対称性が確定されていないケースが多く、その理由はウラン化合物純良単結晶作成が困難あること、さらに極低温・強磁場環境下における系統的な精密物理量測定がなされていないことが挙げられる。本研究では重い電子系超伝導体UBe13の母物質及びTh置換系,UPd2Al3・UNi2Al3をはじめとする非従来型超伝導体の物性理解に焦点を当て、それらの物質群を中心に進めている。また、希土類La, Ce, Sm元素などを含む関連物質においても新規物性の探索・物性理解のために純良単結晶育成及び極低温物性測定アプローチを行っている。
本研究で育成に成功した純良単結晶(U,Th)Be13を用いて極低温比熱・磁化測定を行い、その異常な超伝導の対称性を明らかにする上で重要な実験結果を得た。特に、極低温比熱の異方性および、超伝導相における直流磁化測定の結果から、(U,Th)Be13（Th: 2~4%）の超伝導相内にある謎の相転移異常が超伝導と共存する反強磁性ではなく、超伝導秩序に関する2段相転移であることを明らかにし、約30年以上も未解明であった謎の正体を明らかにした。さらに最近、5f電子を持たないThBe13の単結晶育成も行い、dHvA量子振動を観測した。これらの結果はUBe13の超伝導・非フェルミ液体相での電子状態を理解する上で非常に重要な結果であり、現在データ解析を進め発表準備中である。また(U,Th)Be13における極低温精密物性測定（電気抵抗測定・比熱測定）を別のTh濃度試料において進めている。
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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
UBe13, ThBe13, (U,Th)Be13, UPd2Al3, U(Pd,Ni)2Al3, URhSn単結晶育成に成功し、これらの物質群及び関連した希土類化合物NdBe13, PrBe13の物性を調べた。本研究で育成した純良単結晶を用いて極低温精密物性測定を行うことで、重要な実験データを取得し、その一部は学術論文や学会において発表した。未公表の実験データも今後学術論文として発表する。本研究で精力的に進めている (U,Th)Be13の異常な超伝導相の準粒子励起・磁気応答に関する結果はPhysical review B（速報）のEditors’suggestionに選ばれる高い評価を受けた。
(U,Th)Be13の超伝導状態及び、非フェルミ液体異常金属の振る舞いをさらに深く理解するため、比熱・磁化以外の測定に用いるためのより大きな純良単結晶やTh濃度の違う単結晶が必要であるが、この(U,Th)Be13系は不純物に敏感で試料育成が難しいため、アニール条件や結晶育成方法を改善しアプローチをしている。またUNi2Al3純良単結晶育成にも精力的に取り組んでいる。
極低温精密測定に関しては、無冷媒小型希釈冷凍機を用いた極低温物性測定システムの立ち上げを精力的に行っている。最近、無冷媒６Tマグネットを無冷媒小型冷凍機と併せて使用することで磁場中電気抵抗測定が0.1Kの極低温まで行えるようになった。これにより、(U,Th)Be13の非フェルミ液体異常の起源を調べるため極低温電気抵抗測定を行っている段階である。また、0.1 Kまでの極低温下における緩和法による比熱測定もゼロ磁場下において可能になったが、まだ磁場中測定が可能になっておらず今後推進していく。極低温・強磁場測定に関しては東大物性研究所や仙台の金研強磁場センターとの共同研究も行うことで効率的な研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
(U,Th)Be13の非フェルミ液体異常の起源を調べるため、最近測定が可能になった無冷媒希釈冷凍機での極低温電気抵抗システムを用いて、いろいろなTh濃度試料の電気抵抗測定を行っている段階である。これにより電気抵抗の磁場中での振る舞い及び、超伝導上部臨界磁場を精密に調べる。また今後電気抵抗だけでなくホール効果の測定も行う。比熱測定はまだゼロ磁場での測定のみ可能であるが、普通の温度コントローラーブリッジよりも計測応答が非常に速い温度コントローラー（３チャンネルブリッジ）を用いて高感度な温度計測を行えるように進める。これにより、極低温比熱の磁場依存性及び磁場中温度依存性を効率的な測定を開発していく方針である。また磁場下での精密な温度計測のために、比熱セルアデンダ上の温度計の正確な磁場中温度計校正を進める。比熱セルは現在銅製で作成したものであるが、銅は極低温での核比熱が非常に大きいため、比熱測定に非常に時間がかかる可能性がある。その場合は、核比熱が非常に小さい銀製の比熱セルを作成し解決する方針である。大洗で最近立ち上げた極低温磁場中電気抵抗測定環境でも積極的に実験を進める一方で、ウラン化合物の単結晶育成及びその純良化も継続する。(U,Th)Be13だけでなく、UPd2Al3・UNi2Al3系の純良単結晶育成・極低温測定も進める。極低温・強磁場測定に関しては東大物性研究所や仙台の金研強磁場センターとの共同研究も継続して進め、共同研究者らと協力することで大洗センターにおける極低温物性測定環境での効率的かつ高感度な測定を行うための改善点を模索する。また、ウラン系化合物には極低温で新奇な異常相・超伝導相をもつ系がまだまだ隠れている可能性が高いと考えられるので、上記のウラン系化合物に限らず、いろいろな新規物質・物性探索を行っていく方針である。
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| Causes of Carryover |
温度コントローラ（3チャンネル抵抗測定ブリッジ）（仏製）は当初平成30年度に購入するはずであったが、極低温物性測定装置開発(特に磁場中比熱測定)のためにできるだけ早く購入する必要があった。当初は平成29年度にロックインアンプを購入する予定であったが、購入する順序を変更し、先に温度コントローラ（3チャンネル抵抗測定ブリッジ）購入した。
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[Journal Article] Sm valence states and magnetic properties in SmBe13 and SmTi2Al20 investigated by Sm synchrotron-radiation-based Mossbauer spectroscopy2017
Author(s)
S. Tsutsui, Y. Kobayashi, J. Nakamura, M. K. Kubo, S. Amagasa, Y. Yamada, Y. Yoda, Y. Shimizu, H. Hidaka, T. Yanagisawa, H. Amitsuka, A. Yamada, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, and Y. Aoki.
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Journal Title
Hyperfine Interaction
Volume: 238
Pages: 100 1-8
DOI
Peer Reviewed
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