| Project Area | Physical Properties of Quantum Liquid Crystals |
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| Project/Area Number |
19H05824
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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 | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
花栗 哲郎 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (40251326)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
笠原 成 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (10425556)
芝内 孝禎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
清水 康弘 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (00415184)
廣理 英基 京都大学, 化学研究所, 准教授 (00512469)
和達 大樹 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (00579972)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥349,440,000 (Direct Cost: ¥268,800,000、Indirect Cost: ¥80,640,000)
Fiscal Year 2021: ¥57,980,000 (Direct Cost: ¥44,600,000、Indirect Cost: ¥13,380,000)
Fiscal Year 2020: ¥65,520,000 (Direct Cost: ¥50,400,000、Indirect Cost: ¥15,120,000)
Fiscal Year 2019: ¥127,920,000 (Direct Cost: ¥98,400,000、Indirect Cost: ¥29,520,000)
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| Keywords | 量子液晶 / 精密計測 / 空間構造 / 時間発展 / 素励起 / 走査型トンネル顕微鏡 / 磁気トルク / ネマティック感受率 / 中性子小角散乱 / 核磁気共鳴 / 時間分解STM / 時間分解X線分光 |
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| Outline of Research at the Start |
量子液晶の根源的理解には、空間構造・ダイナミクス・エネルギー構造など、高度な計測技術が必要になる。そのため、各班員が有する走査型トンネル顕微鏡、磁気トルク・熱輸送測定、中性子回折／非弾性散乱、ネマティック制御・電子構造測定、核磁気共鳴、テラヘルツ分光、時間分解軟X 線分光・回折といった物性実験技術を総合的に利用するとともに、新しい時空間分解計測手法を開発する。得られる多彩なデータを基に、量子液晶の物性を物質横断的に解明し、量子液晶に普遍的な学理構築に貢献する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
電荷液晶に関して、銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップ相の研究を行った。正方晶構造をもつ銅酸化物超伝導体において面内磁気トルクの精密測定を行ない、特異な電荷液晶相を熱力学的に見出した。また、弾性抵抗によるネマティック感受率の測定により量子液晶状態の量子臨界点の存在を示唆する結果を得た。この他、鉄ヒ素系超伝導体において、回転対称性の破れの向きが通常とは異なる量子液晶状態の観測に成功した。
スピン液晶に関しては、走査型トンネル顕微鏡(STM)によって局在スピンが形成するスキルミオン格子の観察に成功した。また、中性子小角散乱による電流下スキルミオン格子ダイナミクス測定結果の解析、および中性子非弾性散乱を用いたスキルミオン格子中の磁気励起測定を行った。また、キタエフスピン液体の有力候補物質RuCl3において詳細な核四重極共鳴および核磁気共鳴測定を行い、二種類の異なるスピンギャップを観測し、理論的な予想との比較から分数化励起の可能性について議論した。整備したX線発生装置を利用して、新奇キタエフ物質の構造研究も行った。
電子対液晶に関しては、鉄系超伝導体FeSeの高磁場相の電子状態をSTMで詳細に調べたデータを解析し、FFLO状態との関連を調べた。
手法開発に関しては、低温・高磁場下で動作する時間分解STMの設計・開発を行った。ヘリウムデュワー内で動作するSTMのプローブ探針に高強度THzパルスビームを照射させるための光学系の予備実験と設計を行い実現可能性の目途を立てることができた。また、放射光X線とX線自由電子レーザーを利用して時間分解X線分光を行い、光誘起による遷移金属化合物の価数の制御や、強磁性体の磁化の制御を行った。また、実験室に赤外線レーザーを購入し、実験室でも時間分解測定の準備を開始した。
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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
本年度、精密トルク測定で明らかになった銅酸化物高温超伝導体の電荷液晶相は、ネマティシティの方向が従来知られていた電荷密度波相とは異なる別の熱力学相であり、擬ギャップ現象の理解にとって重要なヒントを与えるものである。また、鉄ヒ素系超伝導体においても回転対称性の破れの向きが通常とは異なる量子液晶状態が発見されたことから、結晶格子の向きに対して任意の方向を向く全く新しい量子液晶を実現できる可能性が出てきており、今後の展開が期待される。
スピン液晶に関しては、スキルミオン格子の新しい観測法を開拓できた他、スキルミオン格子の巨視的運動の時間スケール、微視的な空間スケールでのスピンダイナミクスなど、スキルミオンの物理に関する理解が深まった。また、キタエフスピン液体候補を中心に、さまざまな物質の核磁気共鳴実験から、基底状態の特定や低エネルギー励起の性質について解明することができた。さらには新奇キタエフ物質探索に関するA01班との共同研究も開始されている。
電子対液晶に関しては、FFLO状態が期待できる超低温・強磁場での分光イメージングSTMが可能なことが実証されたため、今後様々な物質への展開が期待できる。
手法開発に関してもおおむね順調に進展している。時間分解STMでは、光学系の設計と予備実験を行い、実験に必要なテラヘルツパルスビームとそのガイド光、励起光の3種類の光を超伝導磁石のボア内に導光する目途が立った。時間分解X線分光では、SPring-8とSACLAにおいて時間分解の測定システムを確立し、コヒーレント散乱も開始することができた。また、実験室光源としてレーザーを購入したことにより、今後のさらなる時間分解測定が可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
銅酸化物高温超伝導体や鉄系超伝導体で新奇電荷液晶が見出されている。今後、これらの量子液晶ゆらぎと超伝導の関連性について明らかにするために、トルク測定や弾性抵抗測定のような巨視的手法による研究を継続すると共に、STMによる微視的な電子状態評価と組み合わせた研究を行う。また、イリジウム酸化物における隠れた秩序の探索など、様々な電荷液晶相の探索と解明に多角的に取り組む。
スピン液晶に関しては、電流下スキルミオン格子ダイナミクスの研究をより広い周波数範囲および電流範囲に拡張し、動的転移の可能性を探索する他、A01班と共同で新奇キタエフ物質の探索およびその結晶・磁気構造解析研究を本格的に進める。また、量子スピン液晶モデル物質と考えられる二次元正方格子フラストレート強磁性や一次元フラストレート強磁性J1-J2鎖等の探索を開始する。
電子対液晶に関しては、FeSeの高磁場超伝導相のSTM・比熱・熱伝導などのデータを詳細に検討し、FFLO状態との関連を解明する。
手法開発においては、時間分解STM装置専用のSTMヘッドを作製し、高繰り返しレーザーパルスによる高強度THzパルスの発生を確認する。R3年度以降は標準試料であるHOPGなどを対象として、大気中においてTHzパルスをSTM探針に照射しTHzトンネル電流信号を観測するなどの動作テストを行う。続いて、極低温および高磁場下でのTHz-STMの動作確認を行い、非従来型高温超伝導や電荷密度波を示す量子液晶物質の精密測定を開始する。時間分解X線分光に関しては、SACLAのBL1の軟X線パルスと、実験室レーザーの両方で、時間空間分解測定を行うことを目標とする。また、実験室レーザーの高次高調波発生により、軟X線パルス光を得ることを目指す。また、空間分解能のある光検出核磁気共鳴実験の実現に向け、高出力の光源などを新たに整備する。
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