フラストレーション格子磁性体におけるトポロジカルな量子輸送特性

• Project/Area Number: 13J09540
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 物性Ⅱ(磁性・金属・低温)(実験)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 上田 健太郎 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 金属絶縁体転移 / イリジウム酸化物 / 磁気輸送現象 / 強相関電子系 / スピン軌道相互作用 / トポロジカル量子相 / 磁気抵抗効果 / 分光測定 / 磁壁

Outline of Annual Research Achievements

金属絶縁体転移は古くから固体物理学の中心的課題であり続けている。特に、電子間の斥力相互作用によるモット転移近傍においては、電荷自由度の局在化だけでなくスピンや軌道自由度も絡んだ多彩な秩序相が現れ、3d電子系を中心に研究が活発に進められてきた。一方、近年のトポロジカル絶縁体発見以来、相対論的スピン軌道相互作用に注目が集まっている。スピンと軌道自由度が相互作用することにより電子バンド構造が再構築され、しばしばトポロジカル絶縁体やディラック半金属などのトポロジカルに非自明な電子状態を実現する。重い元素を含む5d電子系酸化物においては、この相対論的効果と電子間相互作用の競合が非従来的な電子・磁気基底状態を発現させる可能性が議論され、理論と実験の双方から現在盛んに研究されている。
本研究では、5d電子系酸化物の一つであるパイロクロア型イリジウム酸化物を対象として、金属絶縁体転移の起源の解明、新奇電子・磁気相の探索を目的として研究を行った。外部圧力や化学置換、外部磁場により実効的な電子相関や磁気構造を精密に制御することで、常磁性金属や常磁性絶縁体、反強磁性絶縁体、強磁性半金属などの多岐にわたる相が現れることを明らかにした。電荷輸送測定と光学測定を組み合わせることで、それぞれの相における電子バンド構造に関する知見を得るとともに、金属絶縁体転移の起源や性質について多角的な議論を行なった。さらに、反強磁性絶縁体相において、磁気的界面に高い伝導性を持つ異常な金属状態が存在することを見出した。最先端の顕微法により金属的磁壁の直接観測に成功し、輸送特性と電荷ダイナミクスから金属的磁壁の性質を明らかにした。以上の結果から、パイロクロア型イリジウム酸化物においては磁性と電子状態が密接に関係しており、電子相関や外部磁場によって多彩な電子、磁気相が現れることが明らかとなった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Magnetic field-induced insulator-semimetal transition in a pyrochlore Nd2Ir2O7 (2015)
  • Author(s): K. Ueda, J. Fujioka, B.-J. Yang, J. Shiogai, A. Tsukazaki, S. Nakamura, S. Awaji, N. Nagaosa, and Y. Tokura
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 115 Issue: 5 Pages: 056402-056402
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.056402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure and magnetic eld effects on metal-insulator transitions of bulk and domain wall states in pyrochlore iridates (2015)
  • Author(s): K. Ueda, J. Fujioka, C. Terakura, and Y. Tokura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 92 Issue: 12 Pages: 121110-121110
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.121110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mobile metallic domain walls in an all-in-all-out magnetic insulator (2015)
  • Author(s): Eric Yue Ma, Yong-Tao Cui, Kentaro Ueda, Shujie Tang, Kai Chen, Nobumichi Tamura, Phillip M. Wu, Jun Fujioka, Yoshinori Tokura, and Zhi-Xun Shen
  • Journal Title: Science Volume: 350 Issue: 6260 Pages: 538-541
  • DOI: 10.1126/science.aac8289
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous domain-wall conductance in pyrochlore-type Nd_2Ir_2O_7 on the verge of the metal-insulator transition (2014)
  • Author(s): K. Ueda, J. Fujioka, Y. Takahashi, T. Suzuki, S. Ishiwata, Y, Taguchi, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Issue: 7 Pages: 75127-75127
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.075127
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Metal-insulator transitions of bulk and domain-wall states in pyrochlore iridates (2016)
  • Author(s): Kentaro Ueda
  • Organizer: American Physical Society 2016 March meeting
  • Place of Presentation: Baltimore (United States of America)
  • Year and Date: 2016-03-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] パイロクロア型Nd2Ir2O7における磁場誘起絶縁体半金属転移 (2015)
  • Author(s): 上田健太郎A, 藤岡淳A, Bohn-Jung YangB, 塩貝純一C, 塚崎敦C, 中村慎太郎C, 淡路智C, 永長直人A,B, 十倉好紀A,B
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 （大阪府吹田市山手町3丁目3番35号）
  • Year and Date: 2015-09-18
• [Presentation] Magnetic-field control of topological charge-transport properties in Nd2Ir2O7 (2015)
  • Author(s): K. Ueda, B.-J. Yang, J. Fujioka, J. Shiogai, A. Tsukazaki, N. Nagaosa, and Y. Tokura
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, America
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] パイロクロア型Nd2(Ir1-xRhx)2O7におけるネルンスト効果 (2014)
  • Author(s): 上田健太郎、藤岡淳、鈴木健士、石渡晋太郎、田口康二郎、十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 (愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Anomalous domain-wall conductance in pyrochlore-type Nd_2Ir_2O_7 on the verge of the metal-insulator transition (2014)
  • Author(s): K. Ueda, J. Fujioka, Y. Takahashi, T. Suzuki, S. Ishiwata, Y. Taguchi, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • Organizer: American Physical Society March meeting 2014
  • Place of Presentation: Colorado Convention Center (Denver, Colorado, America)
• [Presentation] Pressure-induced metal-insulator transition for pyrochlore-type Nd_2Ir_2O_7 (2013)
  • Author(s): K. Ueda, J. Fujioka, H. Murakawa, C. Terakura, T. Suzuki, S. Ishiwata, Y. Taguchi, and Y. Tokura
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2013
  • Place of Presentation: 東京大学伊藤国際学術研究センター(東京都文京区)
• [Presentation] パイロクロア型Nd_2Ir_2O_7の磁気秩序相における電荷輸送特性 (2013)
  • Author(s): 上田健太郎、藤岡淳、高橋陽太郎、鈴木健士、石渡晋太郎、田口康二郎、十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学常三島キャンパス(徳島県徳島市)
• [Presentation] Anomalous domain-wall conductance in pyrochlore-type Nd_2Ir_2O_7 on the verge of the metal-insulator transition (2013)
  • Author(s): K. Ueda, J. Fujioka, Y. Takahashi, T. Suzuki, S. Ishiwata, Y. Taguchi, and Y. Tokura
  • Organizer: FIRST-QS^2C workshop on "Emergent Phenomena of Correlated Materials"
  • Place of Presentation: 品川インターシティホール(東京都港区)