Determination of topological quantum numbers and search for novel electronic phases in Kitaev quantum spin liquid materials

• Project/Area Number: 21H01793
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 橋本 顕一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00634982)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 須田 理行 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80585159)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000)
• Keywords: キタエフスピン液体 / マヨラナ粒子 / チャーン数 / スピンゼーベック効果 / 比熱 / マヨラナギャップ / トポロジカル物性 / 磁場角度回転比熱 / キャリアドーピング

Outline of Research at the Start

本研究では、現実物質における磁場印加や不純物効果に対するキタエフ量子スピン液体の安定性を明らかにすることを目的として、α-RuCl3において、マヨラナ粒子に由来する創発準粒子の出現の有無を規定するトポロジカル不変量(チャーン数)を比熱などの熱力学量測定を通じて詳細に調べる。さらに、キタエフ量子スピン液体において理論的に予測されているトポロジカル超伝導相を探索するために、α-RuCl3に対して、電界効果によるキャリアドーピングを施し、キタエフ量子スピン液体を母体とする新奇トポロジカル電子相の探索を行う。本研究により、現実のキタエフ量子スピン液体物質におけるマヨラナ粒子の理解を飛躍的に向上させる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、キタエフ量子スピン液体物質において、マヨラナ粒子が発現する条件を明らかにし、さらにトポロジカル量子相を制御する実験手法を確立することである。そのためには、トポロジカル不変量(チャーン数)を実験的に決定することが必要不可欠である。すでに前年度までの研究により、キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3において、磁場中比熱測定を12テスラ・ヘリウム3温度まで行うことで、マヨラナギャップの観測を通じて、チャーン数を実験に決定する手法を確立している(O. Tanaka et al., Nature Physics 18, 429-435 (2022))。
当該年度は、さらに極低温・高磁場領域での実験を可能とするために、14テスラマグネット付きの無冷媒希釈冷凍機に、ピエゾ素子で駆動する3次元回転機構(attocube社製atto3DR)を組み合わせた磁場角度回転比熱測定システムを構築し、α-RuCl3において、磁場をb軸方向に高精度に合わせ、比熱測定を行った。その結果、200 mKまでギャップレスな励起が観測されることを明らかにした。これは、マヨラナ励起の特徴的な磁場印加方向依存性を反映したものであり、本実験結果はα-RuCl3において、マヨラナフェルミオン励起が存在することを強く示唆するものである。
また、当該年度は、カイラル・マヨラナエッジ流をスピンゼーベック効果により検出するために、スピンゼーベック効果を低温まで測定できるシステムの構築を無冷媒12Tマグネットにおいて行った。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

14Tマグネット付き無冷媒希釈冷凍機とピエゾ素子で駆動する3次元回転機構を組み合わせた磁場角度回転比熱測定システムを構築し、α-RuCl3において、マヨラナフェルミオン励起が存在することを強く示唆する実験結果が得られたため。

Strategy for Future Research Activity

α-RuCl3に対して、スピンゼーベック効果の測定を行い、マヨラナ・カイラルエッジ流の検出を試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フランクフルト大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] エコール・ポリテクニーク(フランス)
• [Int'l Joint Research] UCサンタバーバラ大学(米国)
• [Journal Article] Bulk evidence of anisotropic s-wave pairing with no sign change in the kagome superconductor CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): Roppongi M.、Ishihara K.、Tanaka Y.、Ogawa K.、Okada K.、Liu S.、Mukasa K.、Mizukami Y.、Uwatoko Y.、Grasset R.、Konczykowski M.、Ortiz B. R.、Wilson S. D.、Hashimoto K.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 667-667
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36273-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Double dome structure of the Bose-Einstein condensation in diluted S=3/2 quantum magnets (2023)
  • Author(s): Watanabe Yoshito、Miyake Atsushi、Gen Masaki、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada、Ikeda Akihiko、Tokunaga Masashi、Kurumaji Takashi、Tokunaga Yusuke、Arima Taka-hisa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1260-1260
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36725-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pure nematic quantum critical point accompanied by a superconducting dome (2022)
  • Author(s): Ishida Kousuke、Onishi Yugo、Tsujii Masaya、Mukasa Kiyotaka、Qiu Mingwei、Saito Mikihiko、Sugimura Yuichi、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 18
  • DOI: 10.1073/pnas.2110501119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of the charge-crystal and charge-glass state in geometrically frustrated organic conductors studied by fluctuation spectroscopy (2022)
  • Author(s): Thomas Tatjana、Thyzel Tim、Sun Hungwei、Muller Jens、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Yamamoto Hiroshi M.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.205111
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical Conductivity Spectra of Charge-Crystal and Charge-Glass States in a Series of θ-Type BEDT-TTF Compounds (2022)
  • Author(s): Hashimoto Kenichiro、Kobayashi Ryota、Ohkura Satoshi、Sasaki Satoru、Yoneyama Naoki、Suda Masayuki、Yamamoto Hiroshi M.、Sasaki Takahiko
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 6 Pages: 831-831
  • DOI: 10.3390/cryst12060831
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Involvement of structural dynamics in charge-glass formation in strongly frustrated molecular metals (2022)
  • Author(s): Thomas Tatjana、Saito Yohei、Agarmani Yassine、Thyzel Tim、Lonsky Martin、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Lang Michael、M?ller Jens
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 4 Pages: 041114-041114
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l041114
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermodynamic Evidence for a Field-Angle Dependent Majorana Gap in a Kitaev Spin Liquid (2022)
  • Author(s): O. Tanaka, Y. Mizukami, R. Harasawa, K. Hashimoto, K. Hwang, N. Kurita, H. Tanaka, S. Fujimoto, Y. Matsuda, E.-G. Moon, and T. Shibauchi
  • Journal Title: Nat. Phys. Volume: 18 Issue: 4 Pages: 429-435
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01488-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic Torque due to Anisotropic Diamagnetism in Neutral BEDT-TTF Crystals (2021)
  • Author(s): Uji Shinya、Terashima Taichi、Sugiura Shiori、Iguchi Satoshi、Sasaki Takahiko、Hashimoto Kenichiro、Shimozawa Masaaki、Yoneyama Naoki、Kato Reizo
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 11 Pages: 113708-113708
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.113708
  • NAID: 210000159428
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tuning the Parity Mixing of Singlet-Septet Pairing in a Half-Heusler Superconductor (2021)
  • Author(s): Ishihara K.、Takenaka T.、Miao Y.、Mizukami Y.、Hashimoto K.、Yamashita M.、Konczykowski M.、Masuki R.、Hirayama M.、Nomoto T.、Arita R.、Pavlosiuk O.、Wisniewski P.、Kaczorowski D.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 11 Issue: 4 Pages: 041048-041048
  • DOI: 10.1103/physrevx.11.041048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconductivity in copper-based MOFs (2023)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Randomness effect on charge glass formation in θ-type BEDT-TTF compounds (2022)
  • Author(s): K. Hashimoto
  • Organizer: SPICE Workshop “New Spin on Molecular Quantum Materials”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新規カゴメ格子超伝導体CsV3Sb5における符号反転のないs波超伝導 (2022)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所研究会
  • Invited
• [Presentation] S=3/2希釈量子スピン系Ba2Co1-xZnxGe2O7における二つのボーズアインシュタイン凝縮相 (2022)
  • Author(s): 渡辺義人, 三宅厚志, 厳正輝, 池田暁彦, 徳永将史, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 車地崇, 徳永祐介, 有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] π電子-プロトン相関型分子性導体κ-H3(Cat-EDT-ST)2における静水圧力および一軸性圧縮下電気抵抗測定 (2022)
  • Author(s): 北山元晴, 出倉駿, 藤野智子, 上田顕, 郷地順, 上床美也, 今城周作, 金道浩一, 浅井晋一朗, 益田隆嗣, 橋本顕一郎, 田嶋尚也, 森初果
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 第一原理計算による有機導体(EDO-TTF-I)2ClO4の電子状態の解析 (2022)
  • Author(s): 川村泰喜, 橋本顕一郎, 吉見一慶, 石川学, 中野義明, 大塚晃弘, 矢持秀起, 春木理恵, 熊井玲児, 足立伸一, 小林晃人
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 極低温下でのキタエフ候補物質α-RuCl3の磁場角度分解比熱測定 (2022)
  • Author(s): 今村薫平, 水上雄太, 吉田悠生, 橋本顕一郎, 田中桜平, 原澤龍平, 栗田伸之, 田中秀数, 藤本聡, 山田昌彦, 村山陽奈子, 笠原裕一, 松田祐司. E. G. Moon, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaev候補物質Na2Co2TeO6の単結晶作製と磁場中比熱測定 (2022)
  • Author(s): S. Fang, 水上雄太, 橋本顕一郎, 石井梨恵子, 矢島健, 廣井善二, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡によるBaFe2As2およびFe(Se, S)のネマティックドメインの観察 (2022)
  • Author(s): 大西朝登, 影山遥一, Cedric Bareille, 谷内敏之, 石田茂之, 水上雄太, 橋本顕一郎, 永崎洋, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] UTe2における異方的準粒子励起とカイラル超伝導状態の検証 (2022)
  • Author(s): 石原滉大, 六本木雅生, 小林雅之, 水上雄太, 酒井宏典, 芳賀芳範, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 電子線照射により不純物を導入した新奇カゴメ金属CsV3Sb5における輸送特性評価 (2022)
  • Author(s): 劉蘇鵬, 六本木雅生, 田中優之介, 向笠清隆, M. Konczykowski, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 水上雄太, 上床美也, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 不純物効果から見たカゴメ格子系超伝導体CsV3Sb5の超伝導対称性 (2022)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 小河弘樹, M. Konczykowski, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 二次元カゴメ格子をもつ配位高分子における強相関超伝導 (2021)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 分子性固体オンラインセミナー(オンライン)
  • Invited
• [Presentation] 二次元配位高分子における強相関超伝導 (2021)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 日本学術振興会181委員会 第37回研究会(オンライン)
  • Invited
• [Presentation] カゴメ格子系超伝導の超伝導ギャップ構造 (2021)
  • Author(s): 橋本顕一郎
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所研究会「非自明な電子状態が生み出す超伝導現象の最前線：新たな挑戦と展望」
  • Invited
• [Presentation] 高Q値誘電体マイクロ波共振器を用いた強磁性マグノンとマイクロ波光子の強結合の観測 (2021)
  • Author(s): 加藤啓輔, 松浦康平, 不破麻里亜, 六本木雅生, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 宇佐見康二, 中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 希釈磁性体Ba2Co1-xZnxGe2O7の磁場誘起相転移と電気磁気効果 (2021)
  • Author(s): 渡辺義人, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 車地崇, 徳永祐介, 有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] ノーダルライン半金属超伝導体NaAlSiの磁場侵入長測定 (2021)
  • Author(s): 小林雅之, 石原滉大, 六本木雅生, 水上雄太, 山田高広, 平井大悟郎, 山根久典, 広井善二, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] LaO1-xFxBiSSeにおける超伝導ギャップ構造 (2021)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 水上雄太, 星和久, 水口佳一, 池田浩章, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における量子相転移の観測 (2021)
  • Author(s): 鵜飼柚希, 下邨真輝, 末次祥大, 笠原裕一, 浅場智也, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3の磁場中熱伝導測定 (2021)
  • Author(s): 下邨真輝, 鵜飼柚希, 末次祥大, 笠原裕一, 浅場智也, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Fe(Se,Te)の微小単結晶における精密比熱測定 (2021)
  • Author(s): 水上雄太, 斎藤三樹彦, M. Qiu, 杉村優一, 松浦康平, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xTexにおける磁気輸送特性の圧力効果 (2021)
  • Author(s): 向笠清隆, 石田浩祐, 岡田昂, 松浦康平, 杉村優一, M. Qiu, 斎藤三樹彦, 水上雄太, 橋本顕一郎, 大塚匠, 渡辺孝夫, 郷地順, 上床美也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡による(Ba,Na)Fe2As2のネマティックドメインの観察 (2021)
  • Author(s): 影山遥一, 大西朝登, 石田浩介, Cedric Bareille, 水上雄太, 谷内敏之, 橋本顕一郎, 石田茂之, 永崎洋, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 鉄系超伝導体Ba1-xRbxFe2As2の圧力下電子相図 (2021)
  • Author(s): 岡田昂, 向笠清隆, 石田浩祐, 辻井優哉, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 石田茂之, 伊豫彰, 永崎洋, 郷地順, 上床美也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Remarks] 芝内・橋本研究室HP
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/index.html