2021 Fiscal Year Annual Research Report
Spin-triplet superconductivity on Uranium-based compounds
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20H00130
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Research Institution | Kyoto University |
Principal Investigator |
石田 憲二 京都大学, 理学研究科, 教授 (90243196)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
青木 大 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30359541)
徳永 陽 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (00354902)
北川 俊作 京都大学, 理学研究科, 助教 (50722211)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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Keywords | スピン三重項超伝導 / ウラン化合物超伝導 / 核磁気共鳴 / スピン磁化率 |
Outline of Annual Research Achievements |
2018年11月に超伝導が発見されたUTe2(ウラン・テルル2)は、超伝導転移温度(Tc ~ 1.6 K)であるものの超伝導は磁場に対してとても強く結晶のb軸に16テスラ以上の磁場を印加すると転移温度が上昇し超伝導は35Tまで観測される。さらにb軸からc軸に30度傾けると、40Tで現れる超伝導相があり超伝導は60Tまで生き残るという驚くべき振舞いを見せる。これらの結果はUTe2では対状態にある二つの電子スピンの向きがそろった(平行対の)スピン三重項超伝導が実現していることが期待される。このスピン三重項超伝導ではスピン自由度が残っており、スピンは外部磁場と同じ方向をとることにより、高い磁場まで超伝導は生き残ると予想される。しかし、スピン三重項状態の超伝導は非常に稀であり、現在までその物理性質は理解されているとはいいがたい。また圧力下でも興味深い振舞いが見られ、静水圧下では0.3GPaを境に超伝導転移温度は上昇し、1.2 GPaで超伝導は3Kを示す。さらに、転移温度の上昇が見られた圧力領域では超伝導相内で新たな転移が見られ、異なる超伝導状態が実現する「超伝導多重相」の振舞いが報告された。しかし超伝導多重相の各相の性質は調べられていない。 我々は、上記の興味深い振舞いを示すUTe2に絞り、微視的な測定であるTe―NMRを行い、超伝導状態のスピン磁化率と関係するTe-NMRのナイトシフト測定から、①UTe2におけるスピン三重項超伝導の同定、②b軸磁場下および加圧下で見られた超伝導多重相の理解を行ってきている。さらに動的な磁気性質に関係する核スピン格子緩和率1/T1の測定から③スピン・軌道の自由度を持った超伝導対に由来する集団励起の検出、④超伝導の発現機構の解明、などを行い、「スピン三重項超伝導に起因した新奇現象の発見と理解」を目指した研究を行ってきている。
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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
昨年度までUTe2に対し通常のTe元素の125Te核の核磁気共鳴(NMR)測定を行ってきた。125Teは天然存在比が7%しかなく、精度の高い125Te-NMRの実験結果を得るには125Te核を濃縮したTeを用いて作成されたUTe2単結晶作成が重要となる。共同実験者の青木氏より125Teを99%まで濃縮したUTe2単結晶試料の提供を受けた。これにより、125Te-NMR信号強度は10倍程度大きくなり、精度の高い実験結果が得られるようになった。 この試料を用い、共鳴線幅が広く信号強度の弱かったH||cとH || aのナイトシフト測定を行った。またH || bとcではナイトシフトの磁場依存性も調べた。H|| cの低磁場では超伝導転移後、H || bと同程度の減少が見られ、超伝導状態で両方向のスピン磁化率は同程度減少することがわかった。この結果は、低磁場ではスピン三重項超伝導のスピン状態を特徴づけるdベクトルはbとc成分を持つことが明らかになった。スピン磁化率の減少の磁場変化を調べるとH || bとH || cに違いが見られ、スピン磁化率の減少は7Tまで磁場変化は見られずそれ以上の磁場で減少が抑えられるH||bの振舞いとは異なり、H||cでは磁場印加とともにスピン磁化率の減少は抑制され、スピン磁化率の減少の振舞いに異方性が見られることがわかった。さらにH||aの低磁場でナイトシフトの測定を行い、超伝導転移で異常は見られるものの、常伝導の温度依存性を延長して低温に向かって増大する振る舞いが見られた。これらのナイトシフトの振舞いから、低磁場では超伝導対のスピンはa方向の成分を持つ超伝導状態が実現していると結論付けた。 更に超伝導が消失する圧力域までTe-NMR測定を行い、超伝導はU-5f電子状態が重い電子状態でのみ見られること、超伝導の消失は一次転移的であることを明らかにした。
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Strategy for Future Research Activity |
今年度から125Te-NMR信号強度を上げるため、核スピンをもつTe125核をエンリッチした試料準備しNMR実験を行なうことで、通常の試料では観測できなかったH||cやH||a方向のナイトシフトの測定や圧力下のNMR測定が可能となった。今後は以下の測定を行っていくつもりである。 ① 今年度までに低磁場すべての結晶軸に対してのナイトシフトの測定を行い、低磁場で超伝導対のスピン状態を明らかにした。ただし現在用いている試料の超伝導転移温度は1.6Kであり低温で残留比熱が半分程度残っている試料である。比熱測定から見積もられる超伝導状態での残留状態密度の大きさは試料依存性があり、超伝導転移温度にも関係が見られる。残留状態密度が小さく超伝導転移温度の高い試料を測定し試料依存性がNMRの実験結果にどのような影響を与えているのかを調べる。最近、1.6Kを上回る試料の報告もあり、純良試料での測定を行う。 ② H||bの高磁場超伝導相の特性を調べる。UTe2は16T以上の高磁場から超伝導転移温度は上昇に転じる。この高磁場超伝導相の特性を東北大学に設置されてある無冷媒25T超伝導磁石を用い調べる。さらに高磁場超伝導相での転移温度上昇の機構を調べるために、スピンゆらぎの性質を核スピンの緩和率測定から明らかにする。 ③ UTe2の超伝導は加圧により超伝導転移温度は上昇し、超伝導相内で新たな相転移が観測されその後2GPa以上の圧力で消失することが報告されている。この超伝導多重相の振舞いをTe-NMRから微視的に調べ、各超伝導相の特性を明らかにし実現している超伝導状態を同定していく。 ④ 超伝導の特性の良い単結晶試料を用い、超伝導状態での緩和率測定から超伝導ギャップ構造を調べる。さらに低温でHe3超流動で観測されたCollective modeに相当するスピン三重項対に特有のスピンダイナミクスの検出を試みる。
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[Journal Article] Slow Electronic Dynamics in the Paramagnetic State of UTe22022
Author(s)
Y. Tokunaga, H. Sakai, S. Kambe, Y. Haga, Y. Tokiwa, P. Opletal, H. Fujibayashi, K. Kinjo, S. Kitagawa, K. Ishida, A. Nakamura, Y. Shimizu, Y. Homma, D. Li, F. Honda, and D. Aoki
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Journal Title
J. Phys. Soc. Jpn.
Volume: 91
Pages: 23707-1
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Charge-neutral fermions and magnetic field-driven instability in insulating YbIr3Si72022
Author(s)
Y. Sato, S. Suetsugu, T. Tominaga, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Kobayashi, S. Kitagawa, K. Ishida, R. Peters, T. Shibauchi, A. H. Nevidomskyy, L. Qian, E. Morosan and Y. Matsuda
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 13
Pages: 394 1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Observation of Antiferromagnetic Order as Odd-Parity Multipoles inside the Superconducting Phase in CeRh 2 As 22022
Author(s)
Mayu Kibune, Shunsaku Kitagawa, Katsuki Kinjo, Shiki Ogata, Masahiro Manago, Takanori Taniguchi, Kenji Ishida, Manuel Brando, Elena Hassinger, Helge Rosner, Christoph Geibel, and Seunghyun Khim
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 128
Pages: 057002 1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Superconducting Order Parameter in UTe2 Determined by Knight Shift Measurement2022
Author(s)
Hiroki Fujibayashi, Genki Nakamine, Katsuki Kinjo , Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Yo Tokunaga, Hironori Sakai, Shinsaku Kambe, Ai Nakamura, Yusei Shimizu, Yoshiya Homma, Dexin Li, Fuminori Honda, and Dai Aoki
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Journal Title
J. Phys. Soc. Jpn.
Volume: 91
Pages: 043705 1-5
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dirac lines and loop at the Fermi level in the time-reversal symmetry breaking superconductor LaNiGa22022
Author(s)
Badger, Jackson R., Quan, Yundi, Staab, Matthew C., Sumita, Shuntaro, Rossi, Antonio, Devlin, Kasey P., Neubauer, Kelly, Shulman, Daniel S., Fettinger, James C., Klavins, Peter, Kauzlarich, Susan M., Aoki, Dai, Vishik, Inna M., Pickett, Warren E., Taufour, Valenti
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Journal Title
Communications Physics
Volume: 5
Pages: 771 1-5
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Nature of field-induced antiferromagnetic order in Zn-doped CeCoIn5 and its connection to quantum criticality in the pure compound2022
Author(s)
Yokoyama, Makoto, Honma, Yutoku, Oshima, Yoshiki, Rahmanto, Suzuki, Kohei, Tenya, Kenichi, Shimizu, Yusei, Aoki, Dai, Matsuo, Akira, Kindo, Koichi, Nakamura, Shota, Kono, Yohei, Kittaka, Shunichiro, Sakakibara, Toshiro
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 105
Pages: 054515 1
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Inhomogeneous Superconducting State Probed by 125Te NMR on UTe22021
Author(s)
Genki Nakamine, Katsuki Kinjo, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Yo Tokunaga, Hironori Sakai, Shinsaku Kambe, Ai Nakamura, Yusei Shimizu, Yoshiya Homma, Dexin Li, Fuminori Honda, and Dai Aoki
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Journal Title
J. Phys. Soc. Jpn.
Volume: 90
Pages: 064709 1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Critical slowing-down and field-dependent paramagnetic fluctuations in the skyrmion host EuPtSi: μSR and NMR studies2021
Author(s)
N. Higa, T. U. Ito, M. Yogi, T. Hattori, H. Sakai, S. Kambe, Z. Guguchia, W. Higemoto, M. Nakashima, Y. Homma, A. Nakamura, F. Honda, Y. Shimizu, D. Aoki, M. Kakihana, M. Hedo, T. Nakama, Y. ?nuki, and Y. Tokunaga
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 104
Pages: 045145 1-7
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Nanoscale heterogeneity induced by nonmagnetic Zn dopants in the quantum critical metal CeCoIn5: 115In NQR/NMR and 59Co NMR study2021
Author(s)
H. Sakai, Y. Tokunaga, S. Kambe, J.-X. Zhu, F. Ronning, J. D. Thompson, S. K. Ramakrishna, A. P. Reyes, K. Suzuki, Y. Oshima, and M. Yokoyama
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 104
Pages: 085106 1-12
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Observation of Longitudinal Magnetic Fluctuations at a First-Order Ferromagnetic Quantum Phase Transition in UGe22021
Author(s)
Noma, Yuichiro, Kotegawa, Hisashi, Kubo, Tetsuro, Tou, Hideki, Harima, Hisatomo, Haga, Yoshinori, Yamamoto, Etsuji, Onuki, Yoshichika, Itoh, Kohei M., Nakamura, Ai, Homma, Yoshiya, Honda, Fuminori, Aoki, Dai
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Journal Title
J. Phys. Soc. Jpn.
Volume: 90
Pages: 073707 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Anisotropy of X-ray Absorption Cross Section in CeCoGe3 Single Crystal2021
Author(s)
Rogalev, Andrei, Wilhelm, Fabrice, Ovchinnikova, Elena, Enikeev, Aydar, Bakonin, Roman, Kozlovskaya, Ksenia, Oreshko, Alexey, Aoki, Dai, Dmitrienko, Vladimir E.
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Journal Title
Crystals
Volume: 11
Pages: 0544 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Magnetic Properties under Pressure in Novel Spin-Triplet Superconductor UTe22021
Author(s)
Li, Dexin, Nakamura, Ai, Honda, Fuminori, Sato, Yoshiki J., Homma, Yoshiya, Shimizu, Yusei, Ishizuka, Jun, Yanase, Youichi, Knebel, Georg, Flouquet, Jacques, Aoki, Dai
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 073703 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Origin of the 30 T transition in CeRhIn5 in tilted magnetic fields2021
Author(s)
Mishra, S., Gorbunov, D., Campbell, D. J., LeBoeuf, D., Hornung, J., Klotz, J., Zherlitsyn, S., Harima, H., Wosnitza, J., Aoki, D., McCollam, A., Sheikin, I
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: 165124 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] 1D charge density wave in the hidden order state of URu2Si22021
Author(s)
Herrera, Edwin, Barrena, Victor, Guillamon, Isabel, Galvis, Jose Augusto, Herrera, William J., Castilla, Jose, Aoki, Dai, Flouquet, Jacques, Suderow, Hermann
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Journal Title
Communications Physics
Volume: 4
Pages: 598 1-
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Anomalous anisotropy of the lower critical field and Meissner effect in UTe22021
Author(s)
Paulsen, C., Knebel, G., Lapertot, G., Braithwaite, D., Pourret, A., Aoki, D., Hardy, F., Flouquet, J., Brison, J-P
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: L180501 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Single-crystal growth and magnetic phase diagram of the enantiopure crystal of NdPt2B2021
Author(s)
Sato, Yoshiki J., Honda, Fuminori, Maurya, Arvind, Shimizu, Yusei, Nakamura, Ai, Homma, Yoshiya, Li, Dexin, Haga, Yoshinori, Aoki, Dai
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Journal Title
Physical Review Materials
Volume: 5
Pages: 034411 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Development of high-resolution capacitive Faraday magnetometers for sub-Kelvin region2021
Author(s)
Shimizu, Yusei, Kono, Yohei, Sugiyama, Tomoyoshi, Kittaka, Shunichiro, Shimura, Yasuyuki, Miyake, Atsushi, Aoki, Dai, Sakakibara, Toshiro
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Journal Title
Review of Scientific Instruments
Volume: 92
Pages: 123908
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Feedback of Superconductivity on the Magnetic Excitation Spectrum of UTe22021
Author(s)
Raymond, Stephane, Knafo, William, Knebel, Georg, Kaneko, Koji, Brison, Jean-Pascal, Flouquet, Jacques, Aoki, Dai, Lapertot, Gerard
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 113706 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pressure-induced multicriticality and electronic instability in the quasi-kagome ferromagnet URhSn2021
Author(s)
Maurya, Arvind, Bhoi, Dilip, Honda, Fuminori, Shimizu, Yusei, Nakamura, Ai, Sato, Yoshiki J., Li, Dexin, Homma, Yoshiya, Sathiskumar, M., Gouchi, Jun, Uwatoko, Yoshiya, Aoki, Dai
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 104
Pages: 195119 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Enhancement and Discontinuity of Effective Mass through the First-Order Metamagnetic Transition in UTe22021
Author(s)
Miyake, Atsushi, Shimizu, Yusei, Sato, Yoshiki J., Li, Dexin, Nakamura, Ai, Homma, Yoshiya, Honda, Fuminori, Flouquet, Jacques, Tokunaga, Masashi, Aoki, Dai
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 103702 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Thermodynamic signatures of short-range magnetic correlations in UTe22021
Author(s)
Willa, Kristin, Hardy, Frederic, Aoki, Dai, Li, Dexin, Wiecki, Paul, Lapertot, Gerard, Meingast, Christoph
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 104
Pages: 205107 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Field-Induced Superconductivity near the Superconducting Critical Pressure in UTe22021
Author(s)
Dai Aoki, Motoi Kimata, Yoshiki J. Sato, Georg Knebel, Fuminori Honda, Ai Nakamura, Dexin Li, Yoshiya Homma, Yusei Shimizu, William Knafo, Daniel Braithwaite, Michal Vali?ka, Alexandre Pourret, Jean-Pascal Brison, Jacques Flouquet
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 074705 1-
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] UTe2の常伝導相におけるゆらぎの研究2022
Author(s)
徳永 陽, 酒井 宏典, 神戸 振作, Opletal P., 常盤 欣文, 芳賀 芳範, 藤林 裕己, 金城 克樹, 北川 俊作, 石田 憲二, 佐藤 芳樹, 仲村 愛, 清水 悠晴, Li D., 本間 佳哉, 本多 史憲, 青木 大
Organizer
日本物理学会第77回年次大会(2022年)
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[Presentation] 重い電子系超伝導体CeCoIn5におけるNi置換効果とZn置換効果2021
Author(s)
酒井 宏典, 徳永 陽, 芳賀 芳範, 神戸 振作, Ronning F., Zhu J.-X., Thompson J. D., 小手川 恒, 藤 秀樹, 鈴木 康平, 大島 佳樹, 横山 淳
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会(物性)
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