2023 Fiscal Year Annual Research Report
Study of novel superconducting state with broken time-reversal symmetry
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22H00105
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
芝内 孝禎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 顕一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00634982)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 非従来型超伝導 / 超伝導ギャップ / ボゴリューボフフェルミ面 / 時間反転対称性の破れ / 回転対称性 / ネマティック超伝導 / 鉄系超伝導 / 円偏光マイクロ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導状態は、(1)フルギャップ超伝導、(2)ポイントノード超伝導、(3)ラインノード超伝導の、3つのクラスの超伝導ギャップを持つ状態に分類される。しかし近年、時間反転対称性を破る超伝導状態では、面状(2次元)でギャップがゼロとなる「ウルトラノーダル」超伝導が存在し得ることが理論的に示唆された。本研究では、申請者らによって最近見出された有力候補物質Fe(Se,S)およびその関連物質に焦点を当て、第4の超伝導状態ともいえる新奇ウルトラノーダル超伝導状態の解明を目的としている。2023年度では、この新奇超伝導状態の必須条件となる時間反転対称性の破れについて、昨年度取りまとめたミューオンスピン緩和実験と相補的な情報を得るために、時間反転対称性の破れの検証の別の手法として、円偏光マイクロ波共振器の測定系の測定システムを立ち上げを行った。銅キャビティに誘電体を導入した高Q値共振器を作製し、テストとして単結晶ビスマス試料における磁場中測定を行い、マイクロ波領域でのホール効果を定量的に測定可能であることを実証した。今後は超伝導体における時間反転対称性の破れの検出を目指す。
また、東京大学物性研究所との共同研究により明らかとなった、角度分解光電子分光によるボゴリューボフフェルミ面の2回回転対称性を、バルク測定により示すために、c軸抵抗測定の面内磁場角度依存性測定を行った。その結果、直方晶のFeSeで見られたネマティック双晶境界での磁束ピニング現象と同様な異常が正方晶のFe(Se,S)でも観測され、超伝導状態での2回回転対称性が確かめられた。
現在は、正方晶Fe(Se,S)に電子線照射により格子欠陥を導入した試料での磁場侵入長測定により、ボゴリューボフフェルミ面の不純物効果の研究を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、鉄系超伝導体Fe(Se,S)の超伝導状態に着目し、理論的に示唆される時間反転対称性が破れた新しい超伝導状態である、ウルトラノーダル超伝導の理解を目指している。この物質が示す電子ネマティック状態はS置換とともに抑制され、高置換領域ではネマティック状態は消失し、完全に４回対称性を示す正方晶相と考えられていた。実際に、常伝導状態において、回転対称性を破るネマティシティは観測されていない。このような正方晶の試料において、超伝導状態で回転対称性を破る実験結果を得たことは、驚くべき結果であり、海外の理論家により既に2報の論文で説明が試みられている。
また、ネマティック量子揺らぎに関する別の理論が発表され、量子臨界点の近傍では、極低温で状態密度が急激に抑えられる可能性が示唆された。この理論の検証のため、超伝導転移温度の2パーセント程度までの極低温における磁場侵入長測定を行ったところ、このような急激な変化は観測されず、その温度依存性から、やはりボゴリューボフフェルミ面の存在を支持する結果を得ている。以上のように、本研究の結果は世界的に大きな注目を浴びている。
さらに、電子線照射による不純物効果の研究を行っているが、不純物によりボゴリューボフフェルミ面が消失するという非自明な結果を得ている。この結果は、この系の超伝導状態を理解するうえで重要な情報を含んでいると考えられ、今後詳細な議論を行う予定である。このように、予想外の新しい発見があるなど、本研究は当初の計画以上に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究における今後の方針は、各項目において以下のような計画に基づき研究を遂行する予定である。
時間反転対称性の破れの再検証と定量化に関しては、今年度立ち上げと動作確認に成功したマイクロ波円偏光空洞共振器の最適化を進め、超伝導体における低温測定を行い、時間反転対称性の破れの検証を行う。
低エネルギー励起の精密測定については、バックグラウンドが市販の測定装置に比べ3桁小さい自作セルを用いた長時間緩和法を用いた極低温比熱測定を電子線照射して欠陥を導入した試料に対して行う。この結果を既に得られている磁場侵入長測定と比較し、ウルトラノーダル超伝導の不純物効果の定量的な議論を進める。
ボゴリューボフフェルミ面とネマティシティの関係の解明に関しては、正方晶の領域の試料にピエゾ素子を用いて一軸性歪みを導入した状態での測定を進め、人工的にネマティシティを制御することにより超伝導状態がどのように変化するかを明らかにする。さらに比較対象として異なる超伝導状態を持つと考えられるFe(Se,Te)についても研究を進め、ウルトラノーダル超伝導出現のための条件を突き止めるための研究を進める。
以上と並行して、Fe(Se,S)単結晶試料の育成条件をさらに調べ、現在までに得られているS置換量25パーセントを超えた高置換量の試料作製を目指し、ネマティック量子臨界点から離れた試料での比較を可能にしたい。
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Research Products
(22 results)
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[Journal Article] Two superconducting states with broken time-reversal symmetry in FeSe1-xSx2023
Author(s)
Matsuura K.、Roppongi M.、Qiu M.、Sheng Q.、Cai Y.、Yamakawa K.、Guguchia Z.、Day R. P.、Kojima K. M.、Damascelli A.、Sugimura Y.、Saito M.、Takenaka T.、Ishihara K.、Mizukami Y.、Hashimoto K.、Gu Y.、Guo S.、Fu L.、Zhang Z.、Ning F.、Zhao G.、Dai G.、Jin C.、Beare J. W.、Luke G. M.、Uemura Y. J.、Shibauchi T.
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences
Volume: 120
Pages: e2208276120
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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