Probing itinerant j=3/2 fermions with quantum oscillations

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03448
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: Nohara Minoru 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (70272531)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅原 仁 神戸大学, 理学研究科, 教授 (60264587) ; 播磨 尚朝 神戸大学, 理学研究科, 教授 (50211496)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: J=3/2フェルミオン / フェルミ面 / スピン軌道相互作用 / 量子振動 / 軌道交差

Outline of Final Research Achievements

We pioneered the observation of quantum oscillations, known as the de Haas-van Alphen (dHvA) effect, in half-Heusler alloys. Single crystals of LuPtBi, YPtBi, LuPdBi, and ScPdBi were grown, with the results obtained specifically in LuPtBi. The cyclotron effective mass was found to be m* = 0.05~0.09m0. Comparison with first-principles calculations revealed that these quantum oscillations originate from small Fermi surfaces (electron pockets). Furthermore, superconductivity was observed in LuPtBi and LuPdBi.

Free Research Field

低温物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

通常の金属はスピン角運動量 s = 1/2 を有する電子が電気伝導を担っている。ところが、LuPtBi などのハーフホイスラー合金においては、Bi の強いスピン軌道相互作用に起因して、全角運動量 j = 3/2 のフェルミオンが電気伝導を担うと考えられている。本研究は、この伝導する j = 3/2 フェルミオンの実験的検出につながる第一歩である。さらに従来の s = 1/2 電子のクーパー対形成による超伝導ではなく、j = 3/2 フェルミオンが対形成したエキゾチック超伝導の実現にもつながる。