2022 Fiscal Year Research-status Report
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20K03870
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
藤山 茂樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00342634)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田嶋 尚也 東邦大学, 理学部, 教授 (40316930)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 有機導体 / ディラック電子系 / トポロジカル絶縁体 / 核磁気共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機導体α-(BETS)2I3の電気抵抗は50K以上では温度に依存せず常圧でディラック電子系的振る舞いを示す。われわれはこれまでに、電気抵抗、NMR、第一原理計算、磁化率測定を通してこの物質が常圧で2meV程度の小さなギャップを持つ二次元ディラック電子系であることを明らかにしている。一方、50K以下で電気抵抗は半導体的な温度依存性を示し、電荷秩序や磁気秩序相転移の可能性が指摘されているほか、スピンホール絶縁体などエキゾチックな基底状態の可能性が理論的に議論されている。このためさまざまな可能性について多角的な実験から検証することが必要である。電荷秩序相転移の可能性を検証するため新たに誘電率測定システムを構築し温度・周波数依存性を測定した。この結果、既知の有機導体の電荷秩序相転移の際に観測されるような増強が観測されなかった。一方、13C, 1H, 137IのNMRのスペクトルを測定したところ50~100K以下で非自明なスペクトルの分裂が観測された。分裂が観測され始める温度が互いに異なることから相転移と考えることが困難であり新たなクロスオーバー現象を観測していると考えることができる。NMRの研究においては準備実験として常圧で電荷秩序相転移を示すことが確立している関連物質α-(BEDT-TTF)2I3のヨウ素核NQRのスペクトルおよび核磁気緩和率を測定し、有機導体における電荷秩序がNQR法でどのように観測されるか、についての知見を整理することに成功した。
ここで記したディラック電子系に限らず、汎用的な装置開発として、誘電率測定系および専用プローブの建設を行い広い温度周波数範囲で測定が可能なようにした。また新たな磁性研究の手法の新規開拓としてNV量子センサNMR測定系のプロトタイプを建設した。
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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
電荷秩序相転移の可能性が指摘されていたα-(BETS)2I3についてNMRを用いて微視的に研究する前に、常圧で電荷秩序相転移を示すことが確立している関連物質α-(BEDT-TTF)2I3のヨウ素核NQRのスペクトルおよび核磁気緩和率を測定し、有機導体における電荷秩序がNQR法でどのように観測されるか、についての知見を整理した。有機導体においてはこれまでにNQRを用いた電荷自由度の研究が行われてこなかったが、第一原理計算の援用による観測周波数の予想と組み合わせることで実験に成功した。
有機導体α-(BETS)2I3の電荷秩序相転移の可能性を調べるために新たに誘電率測定計測システムおよび測定プローブを新製し測定した。この結果、これまでに有機導体で知られている電荷秩序相転移の振る舞いは観測されず、電荷秩序転移の可能性は排除されたと考えられる。この測定プローブは広く輸送測定に転用が可能であるなど今後の研究に役立てることが可能である。また、新たな磁性の実験測定手法を開拓していくためにNV量子センサNMRの建設を開始し、実際の固体試料を用いた実証はまだであるもののプロトタイプは概ね完成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ディラック電子系に対する電子相関効果に注目が集まっている。我々がこれまでに常圧ディラック電子がバルクとして実現していると実証したα-(BETS)2I3については、最近表面状態が電子相関に由来するトポロジカル絶縁体になっているとの指摘(Nomoto et. al. Nature Commun. 14, 2130 (2023))があるものの、実験結果そのもの、あるいは解釈にコンセンサスが得られているわけではなく、バルク状態での電子相関効果を詳細に調べる必要がある。このため、α-(BETS)2I3の圧力印加状態でのNMR を行い、この物質のディラック電子系の電子相関を制御した状態での磁性の変化を研究する。また、圧力印加状態でディラック電子系が実現しこれまでに最もよく研究されてきたα-(BEDT-TTF)2I3についても圧力セルを用いたNQR研究に挑戦し、この物質のディラック電子状態において議論されている強相関効果であるエキシトニック相関についての研究を行う。
装置開発としては引き続き量子センサNMRの開発を行い、高圧下の磁性測定などを実際の強相関電子系物質を用いて行う。
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| Causes of Carryover |
量子センサNMRの計測系を建設中である。光学受像素子やパワーアンプなどの部品を購入し、市販の定電圧電源と組み合わせることによりシステムの構築を試みた。定電圧電源は通常時期であれば即日、または数週間で入手可能なものであるが、近年このような基盤的機器に用いる半導体に著しい欠品があるらしく納期が著しくかかる物品が生じている。このための設計変更などが生じ予算の繰越を行なった。
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