Impurity effect in excitonic insulator

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14414
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: Hirose Yusuke 新潟大学, 自然科学系, 助教 (00647125)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 励起子絶縁体 / 元素置換効果 / キャリドープ効果 / 新物質探索

Outline of Final Research Achievements

In the present study, I investigated the effect of elemental substitution on an excitonic insulator (EI) candidate Ta2NiSe5, by measuring the electrical resistivity and magnetic susceptibility using single crystalline samples of elemental substituted Ta2NiSe5. These elemental substitutions destabilize the EI state. The reduction rates of the EI transition temperature Tc and energy gap Eg, which characterizes the preformed exciton state, depend on substituting elements. In contrast to Tc and Eg reduction rates, the Tc vs. Eg plot follows one universal curve regardless of substitution elements. The Tc－Eg curve indicates two distinct regions, which suggest that BEC-BCS crossover occurs at EG~750 K.

Free Research Field

固体物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで励起子絶縁体の研究は光電子分光などによるバンドの直接観測をメインとしてきた。本研究では、元素置換によるバルク物性測定によるアプローチという点で意義がある。励起子絶縁体を証拠づける一つとして超音波吸収のコヒーレンスピークが挙げられるが、試料の薄さが原因で実験が不可能であった。本研究で作製した元素置換物質では超音波実験が可能な従来の10倍以上の大きさのものが得られ、今後、励起子絶縁体かどうかの検証が期待される。また、Ta2NiSe5は光誘起の絶縁体-金属転移を示し、オプトエレクトロニクスの観点からも注目されている。元素置換による金属化の起源を調べることで、応用への発展が期待される。