金属のナノサイズ化により出現する強相関現象の実験的探究

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25287076
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 河江 達也 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30253503)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 稲垣 祐次 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10335458) ; 辻井 宏之 金沢大学, 学校教育系, 准教授 (10392036) ; 田中 彰則 有明工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (80274512)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: ナノワイヤ / 強相関現象 / 強磁性 / 近藤効果 / 超伝導 / ブレークジャンクション

Research Abstract

極低温度域において試料サイズをバルクからナノサイズまで精密に制御できるブレークジャンクション技術(MCBJ)と磁気抵抗測定を組み合わせることで、非磁性金属をナノサイズ化した際により出現する強相関現象の研究を行い以下の成果を得た。
我々はこれまでに非磁性金属PdワイヤをMCBJ法を用いてナノサイズ化することにより、約30nm以下のワイヤ径で常磁性から強磁性転移に転移することを磁気抵抗測定から見出していた。この一般性を探るため、常磁性金属Agに注目しMCBJ法と磁気抵抗測定を組み合わせその物性を探った。その結果AgでもPd同様、磁気抵抗効果・ヒステレシスがはっきり見られ、Agでも強磁性出現を強く示唆する結果を得た。
Sn微粒子実験で強磁性と超伝導の共存が報告され(PRB 77, 094508 (2008))、Snもナノサイズ化による強磁性出現が期待される。そこで極低温MCBJ実験を利用して超伝導金属の試料サイズを変えながら実験を行い、強磁性と超伝導状態の共存・競合効果について調べた。これまでの実験より、Snについては先行研究で報告されるような超伝導状態と磁性が共存・競合するような振る舞いは見られなかった。そこでd軌道が完全に埋まっていないバナジウムに注目し研究を行った。その結果、ワイヤ径が細くなると、ジョセフソン電流が急激に減少する、超伝導ギャップ内のアンドレーエフ散乱がはっきり見えない、微分伝道度に近藤効果を示唆するゼロ電圧異常が見られるなどが見られた。これら現象はバナジウムのナノサイズ化による磁気モーメントの誘起を反映する結果と考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ブレークジャンクション技術(MCBJ)を用いてAgワイヤをバルクからナノサイズまで連続的に変化させて実験したところ、Pd同様、磁気抵抗効果・ヒステレシスがはっきり見られ、Agでも強磁性出現を強く示唆する結果を得た。また超伝導金属をナノサイズ化して磁性と超伝導状態の共存・競合効果について調べたところ、Snについては超伝導状態と磁性が共存・競合するような振る舞いは見られなかった。しかしd軌道が完全に埋まっていないバナジウムでは、ワイヤ径が細くなると、ジョセフソン電流が急激に減少する、アンドレーエフ散乱がはっきり見えない、微分伝道度に近藤効果を示唆するゼロ電圧異常が見られるなどが見られた。これら現象はバナジウムのナノサイズ化による磁気モーメントの誘起を反映する結果と考えられる。
以上の結果より、研究の目的達成に関してほぼ順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

これまで行ってきた実験をさらに他の金属に行うことでナノサイズ化による常磁性ー強磁性の一般性を探る。具体的には、Cu, Au, Ptなどの貴金属に注目して実験を行う。
超伝導状態と磁性の共存・競合効果について、さらに深く探るため転移温度が高いNb、d軌道がすべて占有されたPb, Inなどについて実験を行う。この系でジョセフソン電流のサイズ依存、アンドレエフ反射の出現電圧などを追跡することで、超伝導金属をナノサイズ化によることによる磁性発現の有無、d軌道電子の影響を解明する。
MCBJ法で作成したナノサイズ電極に水素を架橋することで、単分子デバイスを作成しその物性を探る。

Research Products

• [Journal Article] Long-range antiferromagnetic order in the frustrated XY pyrochlore antiferromagnet Er2Ge2O7 (2014)
  • Author(s): X. Li, W. M. Li, K. Matsubayashi, Y. Sato, C. Q. Jin, Y. Uwatoko, T. Kawae, A. M. Hallas, C. R. Wiebe, A. M. Arevalo-Lopez, J. P. Attfield, J. S. Gardner, R. S. Freitas, H. D. Zhou, and J.-G. Cheng
  • Journal Title: Physical Review Volume: B 89 Pages: 064409
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.064409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unconventional spin freezing in the highly two-dimensional spin-12 kagome antiferromagnet Cd2Cu3(OH)6(SO4)24H2 O: Evidence of partial order and coexisting spin singlet state on a distorted kagome lattice (2014)
  • Author(s): Masayoshi Fujihala, Xu-Guang Zheng, Hiroki Morodomi, Tatsuya Kawae, Akira Matsuo, Koichi Kindo, and Isao Watanabe
  • Journal Title: Physical Review Volume: B 89 Pages: 100401(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.100401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic transition in K4Cu4OCl10: A model system of three-dimensional spin-1/2 tetrahedra (2013)
  • Author(s): M. Fujihala, X. G.Zheng, H. Morodomi, T. Kawae, and I. Watanabe
  • Journal Title: Physical Review Volume: B 87 Pages: 144425
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.144425
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlinear Susceptibility Measurement for Quadrupolar Response in a Dilute Gamma3 Non-Kramers Doublet System (2013)
  • Author(s): T. Kawae, M. Koga, Y. Sato, S. Makiyama, Y. Inagaki, N. Tateiwa, T. Fujiwara, H. S. Suzuki, T. Kitai
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 073701
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.073701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proton NMR Study of Atacamite Cu2Cl(OH)3 (2013)
  • Author(s): K. Zemmyo, H. Kubo, Mo. Tokita, T. Hamasaki, M. Hagihara, X. G. Zheng, T. Kawae, Y. Takeuchi, and M. Matsumura
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Pages: 084707
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.084707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Low-Temperature Insert for Precise Magnetization Measurement below T = 2 K with a Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer (2013)
  • Author(s): Y. Sato, S. Makiyama, Y. Sakamoto, T. Hasuo, Y. Inagaki, T. Fujiwara, K. Masubayashi, Y. Uwatoko, and T. Kawae
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 52 Pages: 106702
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.106702
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pdへの水素吸蔵における水素原子トンネル機構の寄与 (2014)
  • Author(s): 家永紘一郎，大西雄貴，高田弘樹，稲垣裕次，辻井宏之，河江達也
  • Organizer: 日本物理学会年会
  • Place of Presentation: 日本物理学会年会
  • Year and Date: 20140330-20140330
• [Presentation] 非弾性電子スペクトル測定を用いたPdへの液体水素吸蔵過程の研究 (2014)
  • Author(s): 家永紘一郎，大西雄貴，高田弘樹，稲垣裕次，河江達也，辻井宏之
  • Organizer: 日本物理学会年会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] バナジウムナノコンタクトにおけるジョセフソン電流と近藤効果の競合 (2014)
  • Author(s): 高田弘樹，家永紘一郎，大西雄貴，稲垣祐次，辻井宏之，河江達也
  • Organizer: 日本物理学会年会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] ナノコンタクト型ジョセフソン接合における微分伝導特性のサイズ変化 (2013)
  • Author(s): 高田弘樹，家永紘一郎，大西雄貴，稲垣祐次，辻井宏之，河江達也
  • Organizer: 日本物理学会秋の分科会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 20130927-20130927
• [Presentation] 金ナノロッドの磁性 (2013)
  • Author(s): 稲垣祐次，坂井奈津子，米村弘明，河江達也，山田淳
  • Organizer: 日本物理学会秋の分科会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 20130925-20130925
• [Presentation] High sensitive measurements of magnetization in PrPb3 with SQUID magnetometer (2013)
  • Author(s): Y. Sato, S. Makiyama, T. Kawae, T. Onimaru, H. Suzuki, M. Jackson, C. Paulsen
  • Organizer: Strongly Correlated Electron Systems 2013
  • Place of Presentation: University of Tokyo
  • Year and Date: 20130808-20130808
• [Presentation] Non Fermi Liquid Behavior in Nonlinear Susceptibility in Pr0:05La0:95Pb3 (2013)
  • Author(s): T. Kawae, M. Koga, Y. Sato, S. Makiyama, Y. Inagaki, N. Tateiwa, T. Fujiwara, H. Suzuki, T. Kitai
  • Organizer: Strongly Correlated Electron Systems 2013
  • Place of Presentation: University of Tokyo
  • Year and Date: 20130806-20130806
• [Presentation] Fano Kondo resonance in Ni and Pd nanocontacts (2013)
  • Author(s): K. Ienaga, H. Takata, Y. Inagaki, H. Tsujii, T. Kimura, T. Kawae
  • Organizer: Strongly Correlated Electron Systems 2013
  • Place of Presentation: University of Tokyo
  • Year and Date: 20130806-20130806