2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of a new discipline, quantum glass, for electronic systems and its development to material science
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18H05225
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鹿野田 一司 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20194946)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
賀川 史敬 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30598983)
森 初果 東京大学, 物性研究所, 教授 (00334342)
伊藤 哲明 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 教授 (50402748)
池田 昌司 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (00731556)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 電子ガラス / 分子性固体 / 強相関電子系 / ソフトマター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
○量子性ガラスの探索と電子レオロジーの確立：[鹿野田]電荷フラストレート系β-(meso-DMBEDT-TTF)2PF6が、高温（～100K）での動的不均一性に加え、絶縁相が抑制される加圧下において低温(<5K)で新たな遅い揺らぎを示すことことを見出した。また、電子過飽和液体/ガラスが結晶化する時間の温度依存性をラマンイメージングにより求め、過年度に電気抵抗測定で得られたTTT曲線の再現をみた。 [伊藤] 強い一次の金属－絶縁体転移をおこす(d8-DMe-DCNQI)2Cuに対し、電流印加下で高速冷却を行うと、この一次転移が回避され、金属と絶縁体の中間的な抵抗値を示すガラス的特徴を持つ非平衡新奇電子相が現れることを見出した。
○電子系ガラスの相制御と物質制御：[賀川] ガラス的な遅いダイナミクスを示す巨大磁気抵抗系Nd0.5Sr0.5MnO3において、磁気力顕微鏡（MFM）を用いて反強磁性絶縁相（熱力学安定相）と強磁性金属相（準安定相）の実空間観測相分離状態の可視化に成功し、準安定相創出に必要な臨界冷却速度が相競合領域で顕著に低下することを見出した。 [森] 水素の揺らぎにより電子ガラスの舞台となりえる水素―電子結合系の中で、バンド幅のより広い分子性導体であるκ-X3(Cat-EDT-ST)2 (X=H,D)を開発した。X=H,Dの両塩について圧力を印加すると金属化し、特にX=H塩では、超伝導相が発現することを発見した。
○電子ガラスのモデル化：[池田] 電荷ガラス模型において、相互作用距離の役割を調べたところ、無限レンジ相互作用の場合のみ、過冷却状態が出現することを明らかにした。さらに秩序状態の欠陥エネルギーから、転移温度が理解できることを示した。構造ガラスの研究では、緩和を支配する不安定振動モードの空間構造を特徴づけること等に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
○量子性ガラスの探索と電子レオロジーの確立：電子ガラスが単なる電子状態の不均一性と区別される端的な現象が結晶化の存在であるが、今回の実時間実空間イメージングによるTTT 曲線（結晶化時間の温度特性）の検証は、電子ガラス研究の礎となる。また、新たに、β-meso系で見出された極低温の遅い揺らぎは、スピン自由度のソフトマター性を示唆する予想外の成果であった。さらに、(d8-DMe-DCNQI)2Cuにおいて「電流印加下」急冷で未知の非平衡電子相が実現することを発見したが、これは、電子ガラスなどの非平衡電子相の発現には冷却速度が重要ファクターになるという前年度までの知見に加え、電子定常流がもう一つの重要ファクターになり得るという電子ガラスの物理学に新たな次元を拓くものである。
○電子系ガラスの相制御と物質制御：電子系ガラスの相制御：マンガン酸化物という代表的な強相関電子系において、秒や分を超える遅い相転移の時間スケールは相競合領域に近づくほど、顕著であることを見出した。この知見は、必ずしも格子フラストレート系でなくとも相競合度合いを制御することでガラス的ダイナミクスを創出できることを意味しており、対象物質の幅を広げる、期待以上の発見である。水素―電子結合系分子性導体では、水素と電子系の揺らぎが結合して、全く秩序変数の異なるダイマーモット相と電荷秩序相がミクロスケールでせめぎ合うが、両相の量子臨界点で、圧力誘起超伝導相が出現することを見出したのは大きな成果である。
○電荷ガラスのモデル化：電荷ガラス模型に関する結果は、ガラス状態が現れうる条件を明確化するものであり重要な知見である。一方で現在の模型はガラス形成能が低く、今後、模型自体を改良する必要性も見えてきた。構造ガラスの研究で明らかになった不安定モードの特徴は、ガラスの遅い動力学の定量的な理解に大きく資するものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
○量子性ガラスの探索と電子レオロジーの確立：[鹿野田] 電子結晶成長の核生成・核成長機構の詳細を明らかにすべく、空間分解能をこれまでより一桁以上高めたラマンイメージングの実験を行う。また、幾何学的フラストレ ーションの強さと電荷密度分布関数の相関をラマンスペクトルの解析で調べ、電子ガラスにおける波動性（量子性）の消長を明らかにする。 [伊藤] (d8-DMe-DCNQI)2Cuに対し冷却速度・印加電流を制御しながら抵抗測定を行うことで、この非平衡電子状態の特性解明を目指し、非平衡電子相の発現に対する冷却速度の議論に加え、電子定常流の影響も含めた議論を発展させる。またk-(BEDT-TTF)2X系における電子グリフィス相に対し、電流印加下NMR測定を行い非平衡電子ダイナミクスの解明を進める。
○電子系ガラスの相制御と物質制御：[賀川] 電子系ガラスの相制御と物質制御：MoTe2などの遷移金属ダイカルコゲナイドに対しても、相転移の遅いダイナミクスに着目した超伝導／非超伝導の不揮発相制御の達成、および走査型ラマン顕微鏡を用いたドメイン構造の解明を行う。また、磁気スキルミオン格子に電流を印加し強制流動状態を作ることにより、結晶格子の融解、または異なる磁気秩序相への非平衡相転移を探索する。 [森] 水素―電子結合系分子性導体において、水素の揺らぎを制御するために、異方的な圧力を印加する。ミクロなスケールでせめぎ合うモット絶縁相と電荷秩序相の結合性を圧力で制御することにより電荷ガラスの舞台を創出する。
○電荷ガラスのモデル化：[池田先生] 現在の電荷ガラスモデルは、過冷却状態を実現できる一方で、実験結果と比較してガラス形成能が低い。そこでモデルを拡張することで、ガラス形成能を増すことを試みる。具体的には、格子歪みをモデルに取り込むこと等を計画している。
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[Journal Article] Terahertz-field-induced polar charge order in electronic-type dielectrics2021
Author(s)
H. Yamakawa, T. Miyamoto, T. Morimoto, N. Takamura, S. Liang, H. Yoshimochi, T. Terashige, N. Kida, M. Suda, H. M. Yamamoto, H. Mori, K. Miyagawa, K. Kanoda and H. Okamoto
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 953
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Kinetic pathway facilitated by a phase competition to achieve a metastable electronic phase2021
Author(s)
K. Matsuura, H. Oike, V. Kocsis, T. Sato, Y. Tomioka, Y. Kaneko, M. Nakamura, Y. Taguchi, M. Kawasaki, Y. Tokura, and F. Kagawa
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: L041106 (1-5)
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] New insights into the structural properties of κ-(BEDT-TTF)2Ag2(CN)3 spin liquid2020
Author(s)
P. Foury-Leylekian, V. Ilakovac, P. Fertey, V. Baledent, O. Milat, K. Miyagawa, K. Kanoda, T. Hiramatsu, Y. Yoshida, G. Saito, P. Alemany, E. Canadell, S. Tomic and J.-P. Pouget
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Journal Title
Acta Cryst. B
Volume: 70
Pages: 581-590
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Photomolecular High-Temperature Superconductivity2020
Author(s)
M. Buzzi, D. Nicoletti, M. Fechner, N. Tancogne-Dejean, M. A. Sentef, A. Georges, T. Biesner, E. Uykur, M. Dressel, A. Henderson, T. Siegrist, J. A. Schlueter, K. Miyagawa, K. Kanoda, M.-S. Nam, A. Ardavan, J. Coulthard, J. Tindall, F. Schlawin, D. Jaksch, and A. Cavalleri
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Journal Title
Phys. Rev. X
Volume: 10
Pages: 031028
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Spin structure at zero magnetic field and field-induced spin reorientation transitions in a layered organic canted antiferromagnet bordering a superconducting phase2020
Author(s)
Kohsuke Oinuma, Naoki Okano, Hitoshi Tsunakawa, Shinji Michimura, Takuya Kobayashi, Hiromi Taniguchi, Kazuhiko Satoh, Julia Angel, Isao Watanabe, Yasuyuki Ishii, Hiroyuki Okamoto, and Tetsuaki Itou
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Journal Title
PHYSICAL REVIEW B
Volume: 102
Pages: 035102 (1-14)
DOI
Peer Reviewed
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