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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Superconducting order parameter and uniaxial-pressure induced magnetic order in layered ruthenium oxide

Research Project

Project/Area Number 21H01033
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

菊川 直樹  国立研究開発法人物質・材料研究機構, マテリアル基盤研究センター, 主幹研究員 (00442731)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywordsルテニウム酸化物 / 超伝導対称性 / 高品質単結晶 / 一軸圧力効果
Outline of Annual Research Achievements

本研究「層状ルテニウム酸化物の超伝導秩序変数と一軸圧力誘起の磁気秩序」の目的は,高品質単結晶Sr2RuO4を育成し,強相関電子系の典型物質であるこの物質の超伝導秩序変数の決定につなげることである.最近,Sr2RuO4の非従来型超伝導状態は,われわれの育成した試料を用い,スピン一重項状態の実現が,超伝導転移温度(1.5ケルビン)以下でのスピン磁化率の減少から明らかになった.このことは,Sr2RuO4の超伝導秩序変数について,時間反転対称性を破るのかも含め再考を促している.2022年度では特に,超伝導転移温度が急激に上昇し,さらには磁気秩序の誘起まで観測した[100]方向への一軸圧力下での実験について,熱力学的プローブである弾性熱量効果の測定に成功した.それにより超伝導転移温度,およびリフシッツ転移におけるエントロピー変化を定量的に評価することができた.さらに,これまでミューオンスピン緩和実験のみであった一軸圧力誘起の磁気秩序についても,この熱力学測定からバルクの相転移であることを決定づけた.これにより,一軸圧力を制御パラメータとして,超伝導相と磁気秩序相がリフシッツ転移を挟んで隣接する相図が得られ,銅酸化物や鉄系,さらには有機超伝導と類似した,強相関電子系に普遍的といえる相図がルテニウム酸化物超伝導体Sr2RuO4でも得られることを明らかにした.また,[001]方向への一軸圧力効果から,超伝導転移温度は低下していく一方で,上部臨界磁場は上昇するという,一見相反する結果も得られた.一方,比熱・弾性熱量測定からはミューオンスピン緩和実験から示唆される時間反転対称性の破れについての兆候が見え,定性的解釈もできている.多様な実験を通じて得られたこれらの結果について,さらなる共同研究も含め,今後整合性のある解釈に向けて研究を進める予定である.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでSr2RuO4において,一軸圧力下での熱力学量の測定は比熱測定のみであったが,今回,弾性熱量効果の測定に成功し,相境界におけるエントロピー変化を求めることができた.また,1点の圧力下である約1 GPaの環境下でのミューオンスピン緩和実験でのみ,一軸圧力誘起の磁気秩序が観測されていた.今回の弾性熱量効果は,一軸圧力を外部パラメータとして,”連続的に”一軸圧力を印加していく熱力学量の測定ができた.これにより,超伝導相に隣接する磁気秩序相を明確にとらえることができた.これらの結果から,一軸圧力下におけるSr2RuO4の物性についてより精緻な理論構築にも貢献できうる舞台へとまた一段と進めることができた.

Strategy for Future Research Activity

スピン一重項状態が決定的となったSr2RuO4の超伝導状態の理解の確立,特に超伝導対称性について決定づける研究をさらに進めていく.その際,単結晶育成もさらに進め,高品質と大型化を兼ね備えた結晶が得られるよう,確率をさらに高めていく.これについては,近年合金試料の単結晶育成で得た知見もこのルテニウム酸化物の単結晶育成にも活かせられると考えている.育成した単結晶を用いての研究もさらに深化させていく.解決すべき課題の一つとして,ミューオンスピン緩和実験で示唆される時間反転対称性の破れについて,比熱・弾性熱量効果からは対応する相転移として観測できていないことである.これについては,視点を変えたさらなるミューオンスピン緩和実験が必要では,と考えている.また,超伝導転移温度の変化は小さいが,[110]方向への一軸圧力効果についても,[100]方向への一軸圧力効果との比較をさらに進める上で重要と考えられる.大型・高品質単結晶を用いた多様な実験を展開し,Sr2RuO4の超伝導状態について理解をさらに深めていく予定である.

  • Research Products

    (8 results)

All 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Max Plank Institute (Dresden)(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      Max Plank Institute (Dresden)
  • [Journal Article] Elastocaloric determination of the phase diagram of Sr2RuO42022

    • Author(s)
      Li You-Sheng、Garst Markus、Schmalian Jorg、Ghosh Sayak、Kikugawa Naoki、Sokolov Dmitry A.、Hicks Clifford W.、Jerzembeck Fabian、Ikeda Matthias S.、Hu Zhenhai、Ramshaw B. J.、Rost Andreas W.、Nicklas Michael、Mackenzie Andrew P.
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 607 Pages: 276~280

    • DOI

      10.1038/s41586-022-04820-z

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The superconductivity of Sr2RuO4 under c-axis uniaxial stress2022

    • Author(s)
      Jerzembeck Fabian、Roising Henrik S.、Steppke Alexander、Rosner Helge、Sokolov Dmitry A.、Kikugawa Naoki、Scaffidi Thomas、Simon Steven H.、Mackenzie Andrew P.、Hicks Clifford W.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 4596-1~11

    • DOI

      10.1038/s41467-022-32177-4

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Tuning the Fermi liquid crossover in Sr2RuO4 with uniaxial stress2022

    • Author(s)
      Chronister A.、Zingl M.、Pustogow A.、Luo Yongkang、Sokolov D. A.、Jerzembeck F.、Kikugawa N.、Hicks C. W.、Mravlje J.、Bauer E. D.、Thompson J. D.、Mackenzie A. P.、Georges A.、Brown S. E.
    • Journal Title

      npj Quantum Materials

      Volume: 7 Pages: 113-1~6

    • DOI

      10.1038/s41535-022-00519-6

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Strong increase in ultrasound attenuation below Tc in Sr2RuO4: Possible evidence for domains2022

    • Author(s)
      Ghosh Sayak、Kiely Thomas G.、Shekhter Arkady、Jerzembeck F.、Kikugawa N.、Sokolov Dmitry A.、Mackenzie A. P.、Ramshaw B. J.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 106 Pages: 024520-1~8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.106.024520

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Propagating charge carrier plasmons in Sr2RuO42022

    • Author(s)
      Knupfer Martin、Jerzembeck Fabian、Kikugawa Naoki、Roth Friedrich、Fink Jorg
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 106 Pages: L241103-1~6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.106.L241103

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Observation of a robust and active catalyst for hydrogen evolution under high current densities2022

    • Author(s)
      Zhang Yudi、Arpino Kathryn E.、Yang Qun、Kikugawa Naoki、Sokolov Dmitry A.、Hicks Clifford W.、Liu Jian、Felser Claudia、Li Guowei
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 7784-1~11

    • DOI

      10.1038/s41467-022-35464-2

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Patent(Industrial Property Rights)] ルテニウム酸化物単結晶の製造方法及び製造装置2022

    • Inventor(s)
      菊川直樹,長澤亨
    • Industrial Property Rights Holder
      物質・材料研究機構,キヤノンマシナリー
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Patent Publication Number
      特開2022073173号

URL: 

Published: 2024-12-25  

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