| 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 2022)
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| Budget Amount *help |
¥349,440,000 (Direct Cost: ¥268,800,000、Indirect Cost: ¥80,640,000)
Fiscal Year 2022: ¥47,840,000 (Direct Cost: ¥36,800,000、Indirect Cost: ¥11,040,000)
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 / 鉄系超伝導 / 量子スピン系 / FFLO状態 / 走査型トンネル顕微鏡 / 核磁気共鳴 / 中性子散乱 / X線分光 / 磁気トルク / ネマティック感受率 / 中性子小角散乱 / 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、鉄系超伝導体FeSeにおけるSeのTe置換の研究に着手した。Te置換を行うと、ネマティシティとバンド構造のトポロジーが変化する。これまで、相分離のために通常の作製方法では低Te置換領域の単結晶が得られなかったが、化学蒸気輸送法を用いて単結晶作製に成功した。これにより、電子相図が明らかになった他、STMを用いた電子状態評価も可能になった。
スピン液晶に関しては、Kitaev量子スピン系候補物質RuCl3の磁気励起をNMRによって詳細に調べ、分数化した準粒子の根拠となる2種類のスピンギャップの存在を突き止めた。また、RuX3 (X = Br, I) の中性子回折実験を行い、結晶構造および磁気構造を決定した。さらに、Ca3ReO5Cl2におけるスピノン束縛状態や、バナジウム硫酸塩におけるスピンネマティック相を中性子実験によって調べた。
電子対液晶に関しては、昨年度に引き続きFeSeにおけるFFLO状態の研究を行った。特に、精密比熱測定により、上部臨界磁場よりも低磁場において比熱の磁場依存性に明瞭なキンクを観測し、STMの結果と合わせて、FFLO状態の節が表面にピン止めされるモデルを提唱した。
手法開発では、X線自由電子レーザーの超短パルス性を利用して時間分解X線分光を行い、元素別磁化ダイナミクスを観測した。また、超短パルスの赤外線レーザーを用いた時間分解磁気光学顕微鏡の建設を行い、レーザー照射後の強磁性体薄膜のスピンのダイナミクスをサブミクロン、フェムト秒のスケールで観測できるようになった。また、低温強磁場中でTHz-STMを行うための導光技術の開発を行い、約1 m離れた場所に励起レーザーやTHzパルスビームを制御して照射可能になった。
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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
電荷液晶の研究では、FeSeとその置換系におけるネマティシティと超伝導の関係に関して、輸送特性、熱測定、STMによる電子状態評価を組み合わせた包括的な情報が蓄積しつつある。特に、Fe(Se,Te)の単結晶作製の正孔により精密物性測定が進み、量子液晶秩序が消失する組成近傍で超伝導転移温度が上昇することが明らかとなった他、バンドトポロジーの研究への展開が可能になった。
スピン液晶の研究では、中性子やNMRを用いたスピン液体やスピン液晶の微視的情報が得られている。特に、Kitaev量子スピン系候補物質RuCl3の研究では、磁気励起の詳細が明らかになった他、ハロゲン元素置換系で理想ハニカム格子構造が確認されるなど、概ね順調に研究が推移している。光検出磁気共鳴システムによるイメージング測定や、超高速時間分解測定によるスピンダイナミクスの研究が進展している。
電子対液晶の研究では、FFLO状態の研究を主に展開している。これまで、候補物質がFeSeに限られているが、その研究は深化しており、磁場方向依存性を含めて、FFLO相と考えられる低温高磁場相の電子状態が明らかになりつつある。
手法開発は、時間分解技術開発を中心に進展している。特に、磁化ダイナミクスの研究は、SACLAなどの大型施設を利用した時間分解X線分光による元素選択測定や、実験室で扱えるフェムト秒レーザーを利用した空間分解測定など、ユニークな情報が得られつつある。この他、顕微測定技術では、窒素欠陥中心ダイアモンドを用いたナノスケールの磁気イメージングシステムの構築を行った他、THz-STMの開発が進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究は、おおむね順調に推移しており、計画に大きな変更は必要ない。
電荷液晶の研究は、鉄系超伝導体、銅酸化物高温超伝導体におけるネマティックゆらぎと超伝導の関係に関して研究を継続する他、他の遷移金属化合物における新奇な電荷液晶状態の探索を行う。また、熱ホール効果などの新しい物理量の観測を行い、電荷液晶状態における低エネルギー電子状態の解明を行っていく。
スピン液晶に関しては、Kitaev量子スピン系候補物質の研究を継続する。特に、高圧合成 RuX3 (X = Br, I) に関して、粉末試料を用いた中性子非弾性散乱で得られる磁気励起スペクトルを種々の理論モデルと比較検討することで本物質に対するKitaevモデル適用の妥当性を検証する。また、NMRの測定温度を極低温領域まで拡張する。
電子対液晶に関しては、FeSe以外の候補物質の探索を行うとともに、FFLO状態の超伝導ギャップの空間依存性の直接検出を目指し、三次元のベクトル磁場下で分光イメージングが可能なSTMの構築に取り組む。
手法開発に関しては、実験室の超短パルスの赤外線レーザーからの高次高調波発生のビームラインを建設し、軟X線パルス光をX線自由電子レーザーのみでなく実験室でも得ることを目指す。そして、元素の吸収端を用いた測定により、元素時間空間分解測定によって、量子液晶の本質に迫る。THz-STMに関しては、STMヘッドの作製を完了し、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しているので、今後は標準試料であるHOPGなどを対象として、動作テストを行う。光検出磁気イメージングシステムについては、低温実験のための顕微分光用クライオスタットをセットアップすることで、本格的に物性研究への応用展開を実施する。
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