鉄系超伝導体におけるスピン及び軌道の物理と異常常伝導相の研究

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24684026
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 笠原 成 京都大学, 理学研究科, 研究員 (10425556)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 強相関電子系 / 非従来型超伝導 / 鉄系超伝導 / スピン揺らぎ / 多軌道自由度 / 量子臨界性 / ネマティック秩序 / 超伝導ギャップ構造

Research Abstract

本研究では、鉄系超伝導の主要な研究舞台であるBaFe_2As_2を母物質にもつ系のなかでも、特に純良な単結晶が育成可能である等原子価置換系BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2について、磁気トルクによる高感度の面内異方性測定、及び放射光X線を用いた高分解能の単結晶構造評価を行った。その結果、従来考えられていた構造・磁気秩序相よりも高温領域において、結晶格子から期待される面内回転対称性を電子状態が自発的に破る「電子ネマティック相」が存在することが明らかになった。この対称性の破れた秩序相は超伝導相を覆うように拡がっており、超伝導発現に関連している可能性が挙げられる。また光学伝導度測定からは、状態密度の減少を示唆する擬ギャップ的振る舞いが、超伝導相の高温領域において現れることが明らかになった。
この系では、構造・磁気相転移が消失する近傍において、非フェルミ液体的な輸送現象や、磁気量子振動から見積もられる電子の有効質量の増大、核磁気共鳴測定にみられる反強磁性揺らぎの増大など、様々な異常物性が見出され、同時に超伝導転移温度が最大となることが明らかになっている。これらは絶対零度における量子相転移(量子臨界点)とその揺らぎの存在を示唆するものであるが、超伝導ドーム内において量子臨界点が存在するか否かは、その検証の難しさから長年の問題であった。本研究では、超伝導電子の有効質量を直接反映した物理量である磁場侵入長に着目し、絶対零度極限におけるその組成依存性を詳細に調べた。その結果、磁気秩序が消失し超伝導転移温度が最大となる最適組成において、磁場侵入長が発散的に大きくなり極大を示すことを明らかにし、絶対零度における量子相転移の存在を示した。
鉄系超伝導の発現機構を解く鍵は、スピンと軌道の揺らぎ、及びその秩序形成の物理を明らかにあり、上記の成果は重要な知見を与えるものと考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では電子の自己組織化を示す「電子ネマディック相」、および絶対零度における「量子相転移」という重要な知見を見出すに至った。更には、純良単結晶を基盤として、電子ネマティック相と擬ギャップ、および軌道秩序との関係が明らかになりつつある。これらを踏まえると研究はおおむね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

鉄系超伝導体の多様な相図に隠されたスピンと軌道の揺らぎ、及びその秩序に起因した異常物性を実験的に捉え、超伝導との関係を明確にするためには純良単結晶の創出と精密な物性測定の融合が必要不可欠になる。そこで今後とも純良単結晶育成から精密物性測定までを一貫した研究を行う。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

ホールドーブ系Ba1-xKxFe2As2について、精密磁気トルク測定が可能となるような微小純良単結晶試料を作製し、面内異方性を精査することで電子ネマティック相の存在を検証をする。これにより鉄系超伝導を誘起するキャリアドープ系および等電子価置換による非キャリアドープの三つの軸に対して、電子状態の対称性低下と超伝導発現との関連を明らかにし、この系の軌道とスピンの物理を総合的に明らかにする。このために純良単結晶試料の作製環境の整備、及び極低温磁場中における精密物性測定の環境整備を行う.

Research Products

• [Journal Article] Interplane resistivity of isovalent doped BaFe2(As1-xPx)2 (2013)
  • Author(s): M. A. Tanatar, K. Hashimoto, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and R. Prozorov
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 87 Pages: 104506-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.104506
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disorder, critical currents, and vortex pinning energies in isovalently substituted BaFe2(As1-xPx)2 (2013)
  • Author(s): S. Demirdis, Y. Fasano, S. Kasahara, T. Terashima, T. Shibauchi, Y. Matsuda, M. Konczykowski, H. Pastoriza, and C. J. van der Beek
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 87 Pages: 94506-1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.094506
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gradual suppression of antiferromagnetism in BaFe2(As1-xPx)2: Zero-temperature evidence for a quantum critical point (2012)
  • Author(s): Tetsuya Iye, Yusuke Nakai, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Shigeru Kasahara, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, and Takahito Terashima
  • Journal Title: Physicl Review B Volume: 85 Pages: 184505-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.85.184505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic nematicity above the structural and superconducting transition in BaFe2(As1-xPx)2 (2012)
  • Author(s): S. Kasahara, H. J. Shi, K. Hashimoto, S. Tonegawa, Y. Mizukami, T. Shibauchi, K. Sugimoto, T. Fukuda, T. Terashima, A. H. Nevidomskyy, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Nature Volume: 486 Pages: 382-385
  • DOI: 10.1038/nature11178
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A sharp peak of the zero-temperature penetration depth at optimal composition in the iron-based superconductor BaFe2(As1-xPx)2 (2012)
  • Author(s): K. Hashimoto, K. Cho, T. Shibauchi, S. Kasahara, Y. Mizukami, R. Katsumata, Y. Tsuruhara, T. Terashima, H. Ikeda, M. A. Tanatar, H. Kitano, P. Walmsley, A. Carrington, R. Prozorov, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Science Volume: 336 Pages: 1554-1557
  • DOI: 10.1126/science. 1219821
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Infrared Measurement of the Pseudogap of P-Doped and Co-Doped High-T emperature BaFe2As2 Superconductors (2012)
  • Author(s): S. J. Moon, A. A. Schafgans, S. Kasahara, T. Shibauchi, T. Terashima, Y. Matsuda, M. A. Tanatar, R. Prozorov, A. Thaler, P. C. Canfield, A. S. Sefat, D. Mandrus, and D. N. Basov
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett Volume: 109 Pages: 027006-1-6
  • DOI: 10.11 03/PhysRevLett. 109.027006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermodynamic phase diagram, phase competition, and uniaxial pressure effects in BaFe2(As1-xPx)2 studied by thermal expansion (2012)
  • Author(s): A. E. Bflhmer, P. Burger, F. Hardy, T. Wolf, P. Schweiss, R. Fromknecht, H. v. LOhneysen, C. Meingast, H. K. Mak, R. Lortz, S. Kasahara, T. Terashima, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 86 Pages: 094521-1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.86.094521
  • Peer Reviewed
• [Presentation] BaFe2(As, P)2における擬ギャップ2 (2013)
  • Author(s): 園部竜也, 下志万貴博, 出田真一郎, 吉田鉄平, 藤森淳, 組頭広志, 小野寛太, 中島陽佑, 安斎太陽, 井野明洋, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, 中島正道, 内田慎一, 富岡泰秀, 伊藤利充, 木方邦宏, 李哲虎, 伊豫彰, 永崎洋, 笠原成, 寺嶋孝仁, 芝内孝禎, 松田祐司, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] 熱伝導率測定からみたオーバードープ領域の(Ba1-xKx)Fe2As2における超伝導ギャップ構造 (2013)
  • Author(s): 渡邊大樹, 山下卓也, 笠原成, 太田卓見, 山下穣, 齊藤拓, 深潭英人, 小堀洋, 石田茂之, 木方邦宏, 伊豫彰, 李哲虎, 永崎洋, Anton B, Vorontsov, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] 磁場侵入長測定からみたオーバードープ領域の(Ba1-xKx)Fe2As2における超伝導ギャップ構造 (2013)
  • Author(s): 川本雄太, 水上雄太, 蔵田聡信, 笠原成, 齊藤拓, 深潭英人, 小堀洋, 石田茂之, 木方邦宏, 伊豫彰, 李哲虎, 永崎洋, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] 磁場侵入長測定からみたオーバードープ領域の(Ba1-xKx)Fe2 As2における超伝導ギャップ構造 (2013)
  • Author(s): 川本雄太, 水上雄太, 蔵田聡信, 笠原成, 齊藤拓, 深潭英人, 小堀洋, 石田茂之, 木方邦宏, 伊豫彰, 李哲虎, 永崎洋, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] 電子線照射により不純物散乱を制御したBaFe2(As1-xPx)2における超伝導ギャップ構造の変化 (2013)
  • Author(s): 水上雄太, 川本雄太, 橋本顕一郎, 笠原成, M. Konczykowski, C. J. van der Beek, B. Boizot, R.Prozorov, Y. Wang, A. Kreisel, P.J. Hirschfeld, V. Mishira, 芝内孝禎,松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] 122系鉄砒素系超伝導体における熱電係数の測定 (2013)
  • Author(s): 利根川翔, 山下卓也, 鶴原悠悟, Zengwei Zhu, Benoit Fauque, Kamran Behnia, 笠原成, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] PLD法によるBaFe2As2超薄膜の作製 (2013)
  • Author(s): 綿重達哉,笠原成,下澤雅明,石井航,芝内孝禎,寺嶋孝仁,松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] NMRによるBa(Fel-yMy)2(As1-xPx)2 (M = Zn, Mn)の不純物効果の研究 (2013)
  • Author(s): 川島裕貴, 下田愛子, 家哲也, 北川俊作, 石田憲二, 笠原成, 芝内孝禎, 松田祐司, 寺嶋孝仁
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] BaFe2(As1-xPx)2単結晶を用いたNMRによる面内異方性の研究 (2013)
  • Author(s): 家哲也, 中井祐介, 北川俊作, 石田憲二, 笠原成, 芝内孝禎, 松田祐司, 寺嶋孝仁, Hadrien Mayaffre, Marc-Henri Julien
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] Nematic transition and hidden quantum critical point in iron-pnictide superconductors (2013)
  • Author(s): S. Kasahara
  • Organizer: March Meeting 2013 - American Physical Society
  • Place of Presentation: Baltimore Convention Center, Maryland, USA(招待講演)
  • Year and Date: 20130318-20130322
• [Presentation] Nematic transition and hidden quantum critical point in BaFe2(As1-xPx)2 (2013)
  • Author(s): S. Kasanara, K. Hashimoto, H.J. Shi, H. Shishido, Y. Tsuruhara, S. Tonegawa, Y. Mizukami, K. Sugimoto, T. Fukuda, A.H. Nevidomskyy, M. Tanatar, R. Prozorov, A. Carrington, T. Terashima, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Organizer: Japan-China-Korea A3 Foresight Program of "Joint Research on Novel Properties of Complex Oxides" 2013 Tokyo Meeting
  • Place of Presentation: Koshiba Hall, University of Tokyo、(東京都)
  • Year and Date: 20130314-20130316
• [Presentation] URu2Si2の隠れた秩序相におけるネマティック電子状態の研究 (2012)
  • Author(s): 利根川翔,鶴原悠悟,笠原成,岡崎竜二,芳賀芳範,松田達磨,山本悦嗣,大貫惇睦,池田浩章,芝内孝禎,松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] 鉄系超伝導体Ba(Fe1-xCox)2As2におけるネマティック秩序相の形成 (2012)
  • Author(s): 鶴原悠悟,笠原成,利根川翔,水上雄太,渡辺大樹,史宏杰,福田竜生,杉本邦久, A.H.Nevidomskyy,寺嶋孝仁,芝内孝禎,松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] (Bal-xKx)Fe2As2のホールドープエンド近傍における超伝導ギャップ構造(熱伝導率測定) (2012)
  • Author(s): 山下卓也,渡邊大樹,笠原成,山下穣,芝内孝禎,松田祐司,齊藤拓,深潭英人,小堀洋,木方邦,宏,伊豫彰,李哲虎,永崎洋
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] (Ba1-xKx)Fe2As2のホールドープエンド近傍における超伝導ギャップ構造(磁場侵入長測定) (2012)
  • Author(s): 川本雄太,水上雄太, S.K.Goh, 笠原成,芝内孝禎,松田祐司,齊藤拓,深潭英人,小堀洋,木方邦宏,伊豫彰,李哲虎,永崎洋
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] BaFe2(As1-xPx)2(x = 0.38)の超伝導ギャップの異方性 (2012)
  • Author(s): 出田真一郎,吉田鉄平,鈴木博人,藤森淳,下志万貴博,石坂香子, Walid Malaeb, 辛埴,中島陽祐,安斎太陽,井野明洋,有田将司,生天目博文,谷口樹,組頭広志,小野寛太,笠原成,寺嶋孝仁,芝内孝禎,松田祐司,中島正道,内田慎一,富岡泰秀,伊藤利充,木方邦宏,李哲虎,伊豫彰,永崎洋,池田浩章,有田亮太郎
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] BaFe2(As1-xPx)2のバンド軌道対称性 (2012)
  • Author(s): 吉田鉄平,出田真一郎,西一郎,鈴木博人,藤森淳,下志万貴博,品田慶,石坂香子, Walid Malaeb,辛埴,中島陽佑,安斎太陽,井野明洋,有田将司,生天目博文,谷口雅樹,組頭広志,小野寛太,笠原成,寺嶋孝仁,芝内孝禎,松田祐司,中島正道,内田慎一,富岡泰秀,伊藤利充,木方邦宏,李哲虎,伊豫彰,永崎洋,池田浩章,有田亮太郎, S.K.Mo, Z.X. Sheii, Z, Hussain
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] BaFe2(As,P)2における擬ギャップ (2012)
  • Author(s): 園部竜也,辱志万貴博,品田慶,出田真一郎, Walid Malaeb, 石田行章,辛埴,中島正道,富岡泰秀,木方邦宏,李哲虎,伊豫彰,永崎洋,伊藤利充,内田慎一,吉田鉄平,藤森淳,笠原成,寺嶋孝仁,芝内孝禎,松田祐司,石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] LaFeAsOl-yの最適ドーブ試料における磁場侵入長測定から見た超伝導ギャップ構造 (2012)
  • Author(s): 水上雄太,川本雄太, S.K. Goh, 笠原成,石角元志,石田茂之,鬼頭聖,伊豫彰,永崎洋,社本真一,寺嶋孝仁,芝内孝禎,松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] 鉄系超伝導体BaFe2(As1-xPx)2における不純物効果 (2012)
  • Author(s): 川島裕貴,下田愛子,家哲也,北川俊作,石田憲二,笠原成,芝内孝禎,松田祐司,寺嶋孝仁
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] BaFe2( As1-xPx)2における磁性-超伝導共存/競合相の磁気応答 (2012)
  • Author(s): 冢哲也,中井祐介,北川俊作,石田憲二,笠原成,芝内孝禎,松田祐司,寺嶋孝仁
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学(神奈川県)
  • Year and Date: 20120918-20120921
• [Presentation] Electronic nematic ordering above the structural transition and superconducting dome ofBaFe2(As1-xPx)2 iron-based superconductor (2012)
  • Author(s): S. Kasahara
  • Organizer: The 9th International Conference on New Theories, Discoveries and Applications of Superconductors and Related Materials (New3SC-9)
  • Place of Presentation: GRAND HOTEL VILLA TUSCOLANA, Frascati - Rome, Italy(招待講演)
  • Year and Date: 20120916-20120920
• [Presentation] Contrasts in the normal and superconducting state properties in LiFeP and LiFeAs superconductors (2012)
  • Author(s): S. Kasahara, K. Hashimoto, H. Ikeda, T. Terashima, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
  • Organizer: The 10th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity High Temperature Superconductors (M2S-HTSC)
  • Place of Presentation: Omni Shoreham Hotel Washington DC, USA
  • Year and Date: 20120729-20120803
• [Presentation] 鉄系超伝導体における電子ネマティック秩序相の形成 (2012)
  • Author(s): 笠原成
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所研究会「鉄系高温超伝導の物理～スピン・軌道・格子～」
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所(京都府)
  • Year and Date: 20120621-20120622
• [Presentation] 鉄系超伝導体における電子ネマティック秩序 (2012)
  • Author(s): 笠原成
  • Organizer: 新学術領域研究「重い電子系の形成と秩序化」ワークショップ～重い電子系における格子・フォノンの役割～
  • Place of Presentation: 岩手大学北桐ホール(岩手県)(招待講演)
  • Year and Date: 20120609-20120610