| Project Area | Physical Properties of Quantum Liquid Crystals |
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| Project/Area Number |
19H05823
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
大串 研也 東北大学, 理学研究科, 教授 (30455331)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島川 祐一 京都大学, 化学研究所, 教授 (20372550)
永崎 洋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 首席研究員 (20242018)
木村 剛 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (80323525)
工藤 一貴 大阪大学, 理学研究科, 教授 (40361175)
岡本 佳比古 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90435636)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥246,090,000 (Direct Cost: ¥189,300,000、Indirect Cost: ¥56,790,000)
Fiscal Year 2021: ¥33,150,000 (Direct Cost: ¥25,500,000、Indirect Cost: ¥7,650,000)
Fiscal Year 2020: ¥48,360,000 (Direct Cost: ¥37,200,000、Indirect Cost: ¥11,160,000)
Fiscal Year 2019: ¥82,810,000 (Direct Cost: ¥63,700,000、Indirect Cost: ¥19,110,000)
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| Keywords | 強相関電子系 / 磁性 / 超伝導 / 量子伝導 / 物質開発 / 量子液晶 / 遷移金属化合物 / 新物質開発 |
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| Outline of Research at the Start |
固体化学的知見と理論的設計指針に基づき、非自明な対称性の破れを伴う量子液晶が具現する新物質を創製する。バンド構造の軌道縮退や平坦性に着目した電荷液晶（ネマティック秩序・電荷不均化状態）の開発と、幾何学的フラストレーションや特異な磁気空間群に着目したスピン液晶（異方的スピン液体・トロイダル秩序・キラル秩序）の開発を並行して進める。その上で、電荷・スピン液晶へキャリア注入とバンド幅制御を施すことで、エキゾチック超伝導（電子対液晶・高温超伝導）を創出する。量子液晶の具現が期待される候補物質は、浮遊帯溶融法・高圧合成法・薄膜作製法・水熱合成法・ソフト化学法を含む広範な先端的手法を駆使して合成する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
非正方格子を有する唯一の鉄系超伝導体として興味を惹いている梯子型鉄系化合物BaFe(S1-xSex)3を対象に、電子相図の作成と新奇輸送現象の探索を実施した。徐冷法により純良単結晶を合成し、電気抵抗率・反射率・磁化率・X線回折・中性子回折の測定を相乗的に行うことで、結晶構造・電子状態・磁気構造に関する詳細な情報を得た。その結果、0.00 < x < 0.23のストライプ型磁気秩序と0.23 < x < 1.00のブロック型磁気秩序が温度‐組成平面でbicriticalな形で接すること、磁気相転移温度より高温に存在する構造相転移（軌道秩序・ネマティック秩序）が磁気相転移と同様の組成依存性を示すことを明らかにした。また、系統的な熱伝導率測定を通して、擬一次元的なマグノンが熱を効率的に運ぶことを明らかにした。マグノンに由来する熱伝導は、従来の二次元系の鉄系超伝導体では観測されていないという意味で大きな意義がある。運動論的な取り扱いによりマグノンの平均自由行程を求めるとおよそ3 nm であり、バリスティック熱伝導の極限には達していないことが分かった。
上記に加えて、様々な量子液晶物質の開発に取り組んだ。具体的な実績として、Aサイト秩序型鉄系超伝導体EuRbFe4As4における特異な超伝導と磁性の共存状態の解明、ノーダルライン半金属CaAgPの元素置換系における高移動度キャリアの存在と特異な超伝導の発見、共鳴X線散乱を用いた室温マルチフェロイックヘキサフェライトSr3Co2Fe24O41 における磁気-誘電結合の解明、転移温度Tc = 7 Kの超伝導を示す秩序型ラーベス相化合物Mg2Ir3Siの発見、特異な磁気構造を示すAサイト秩序型ペロブスカイト型酸化物CaFe3Ti4O12の高圧合成、遍歴強磁性SrRuO3薄膜の作成と特異な磁気輸送特性のゲート電圧依存性の解明が挙げられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、化学的要因・結晶構造・磁気構造・バンド構造に着目することで、新奇な量子液晶状態が具現する新物質を開発することを目的としている。初年度にあたる令和元年度は、研究環境の整備を進めた。東京大学に純良な単結晶を育成するために必要となるレーザー単結晶育成装置を導入した。東北大学には、強磁場基礎物性測定装置を導入し、電気抵抗率を9Ｔの磁場下で測定できる環境が整った。今後は、誘電率や比熱を測定できるよう整備していく計画である。また、岡山大学に新物質の組成を評価するために必要となる卓上走査電子顕微鏡を導入した。研究分担者の異動に伴い、今後は同装置を大阪大学で活用する計画である。このように、研究環境の整備が滞りなく進んだ。
研究環境の整備と共に、新物質開発研究を強力に推進した。東北大学では、新奇な量子スピン液晶状態の具現が期待される新物質を、高圧合成法を駆使することで発見した。この新物質に関して、領域内の複数の測定グループと共同研究を進めており、今後のさらなる展開が期待できる。また、次年度以降に行う量子液晶の制御に向けて、高圧下の物性測定系の構築も順調に進んでいる。ピストンシリンダー型・ダイヤモンドアンビル型の電気抵抗測定系、およびダイヤモンドアンビル型の磁化測定装置の構築が進んでいる。これらの測定系を、次年度以降に梯子型鉄系化合物に適用することで、軌道が生み出す量子液晶の理解が深まることが期待できる。以上のように、当初の計画に沿って、研究活動は順調に進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、前年度に引き続き、(a)化学的要因に着目した量子液晶物質の探索、(b)結晶構造に着目した量子液晶物質の探索、(c)磁気構造に着目した量子液晶物質の探索、(d)バンド構造に着目した量子液晶物質の探索を継続する。対象とする物質群は、幾何学的フラストレーションを内包する量子スピン系・強相関効果の卓越した遷移金属酸化物・鉄系高温超伝導体・銅酸化物超伝導体・異常高原子価を有する物質・スピン軌道相互作用の卓越した5d遷移金属化合物・軌道縮退を有する不定比性化合物などである。
令和2年度以降は、上記の4課題に加えて、(e)理論指針に基づいた物質開発、(f)量子液晶の制御に取り組む。具体的には、C01 班による解析的理論・第一原理計算・大規模数値計算から提供される量子液晶の理論的な設計指針を受け、それを物質中で実証することに取り組む。また、対称性の破れる方向性が異なる状態の空間的分布（=ドメイン構造）の形成が物性解明の阻害要因になることがあることを念頭に、ドメイン構造の可視化と外場印加による単一ドメイン化に取り組む。さらに、量子液晶は固体と液体の中間的な「柔らかな秩序」を有することを念頭に、外場やエピタキシャル歪により、エネルギーが拮抗した異なる量子液晶の間をスイッチさせることに挑む。
これらの研究は、領域内の共同研究を活性化することで強力に推進する。そのプラットフォームとして、本計画班が主体となり「量子物質開発フォーラム」をオンラインで開催する。
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