価数と軌道に由来した非磁性量子相転移と臨界現象

• 研究課題/領域番号: 15J08663
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性II(実験)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 志村 恭通 東京大学, 物性研究所, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 軌道秩序 / 高磁場 / 熱膨張 / 磁気抵抗効果 / 磁気相図 / ホール効果 / 四極子秩序 / 重い電子 / 磁気トルク / 磁気抵抗 / 重い電子系 / 価数揺動 / 四極子 / 量子臨界現象 / 非磁性

研究実績の概要

私は今年度、0.6 Kで軌道秩序を示すPrV2Al20の磁歪/熱膨張測定および米国国立高磁場研究所にて磁気抵抗およびホール効果の測定を行った。磁歪/熱膨張計は前年度に希釈冷凍機に取り付けて、最低温度 100 mK まで測定ができるようにした。
磁歪/熱膨張測定の結果、0.6 Kの相転移を観測し、その変化量が非常に小さいことから、電子軌道が互い違いに整列する"反強"的な軌道秩序であることを見出した。そして軌道秩序が壊れる臨界磁場に向かって、熱膨張係数が発散的に増大し、臨界磁場で符号が変わることを観測した。この結果を熱力学的に考えると、臨界磁場に向かってエントロピーが増大することに対応する。これは我々のグループで主張している、磁場誘起の軌道秩序の量子臨界揺らぎの存在をサポートする結果である。
また我々は、まだ未解明だった[110]方向に磁場を印加した場合の磁気相図に関して、最大 31 T までの磁気抵抗測定を行った。そして15 T-24 Tの領域に新たな軌道秩序相を見出し、24 T より高磁場で軌道秩序が閉じることを明らかにした。さらに我々は軌道秩序相の数値シミュレーションを行い、実際に24 T付近で軌道秩序相が閉じることを再現した。
これにより、前年度以前の結果と合わせて、PrV2Al20の軌道秩序の異方的な磁気相図の全容を明らかにした。
最後にPrV2Al20のホール効果測定を行い、キャリア数が通常金属に近い値を示すことを明らかにした。これは通常金属とは大きく異なる電気抵抗率の温度依存性の起源が、半金属的なバンドからくるものではなく、我々が考えている四極子による近藤効果である可能性を支持する。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] National High Magnetic Field Laboratory(米国)
• [国際共同研究] NHMFL, Florida State University(米国)
• [国際共同研究] Augsburg University(ドイツ)
• [国際共同研究] National High Magnetic Field Laboratory(米国)
• [国際共同研究] University of Augsburg(ドイツ)
• [雑誌論文] Quantum valence criticality in a correlated metal (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuga K., Matsumoto Y., Okawa M., Suzuki S., Tomita T., Sone K., Shimura Y., Sakakibara T., Nishio-Hamane D., Karaki Y., Takata Y., Matsunami M., Eguchi R., Taguchi M., Chainani A., Shin S., Tamasaku K., Nishino Y., Yabashi M., Ishikawa T., Nakatsuji S.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 号: 2
  • DOI: 10.1126/sciadv.aao3547
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bulk Fermi surface of the Weyl type-II semimetallic candidate γ-MoTe2 (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Rhodes, R. Schonemann, N. Aryal, Q. Zhou, Q. R. Zhang, E. Kampert, Y.-C. Chiu, Y. Lai, Y. Shimura, G. T. McCandless, J. Y. Chan, D. W. Paley, J. Lee, A. D. Finke, J. P. C. Ruff, S. Das, E. Manousakis, and L. Balicas
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 16 ページ: 1653141-12
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.165134
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High Magnetic Transition Temperature and Semiconductor like Transport Properties of Mn-doped α-YbAlB4 (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Suzuki, T. Tomita, Y. Shimura, K. Kuga, Y. Matsumoto and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: ６８３
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Very Low Temperature Magnetoresistance in the Quadrupole Ordered System PrV2Al20 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimura, M. Tsujimoto, B. Zeng, Q. Zhang, L. Balicas, A. Sakai, and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: ６８３
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unstable spin-ice order in the stuffed metallic pyrochlore Pr2+xIr2-xO7-δ (2015)
  • 著者名/発表者名: D. E. MacLaughlin, O. O. Bernal, Lei Shu, Jun Ishikawa, Yosuke Matsumoto, J.-J. Wen, M. Mourigal, C. Stock, G. Ehlers, C. L. Broholm, Yo Machida, Kenta Kimura, Satoru Nakatsuji, Yasuyuki Shimura, and Toshiro Sakakibara
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 92 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.054432
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Field-induced quadrupolar quantum criticality in PrV2 Al20 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimura, M. Tsujimoto, B. Zeng, L. Balicas, A. Sakai and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 91 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.241102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 三重極限環境下における a-YbAlB4 の量子振動と高磁場異常 (2018)
  • 著者名/発表者名: 志村 恭通
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] 反強四極子秩序系 PrV2Al20 の高磁場相と異方的気抵抗効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 志村 恭通, Q. Zhang, B. Zeng, R. U. Schoenemann, D. Rhodes, 辻本 真規, 酒井 明人, 松本 洋介, 榊原 俊郎, W. Zheng, Q. Zhou, L. Balicas, 中辻 知
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学(大阪府豊中市待兼山町)
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Quantum Limit in the Heavy Fermion Metal a-YbAlB4 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimura, Q. Zhang, B. Zeng, L. Balicas, and S. Nakatsuji
  • 学会等名: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems 2017
  • 発表場所: 東京大学(千葉県柏市柏の葉)
  • 年月日: 2017-02-20
• [学会発表] Anisotropic Magnetoresistance in High-Magnetic-Field Phase and Field-Induced Quantum Criticality in the Quadrupole Kondo Lattice in PrV2Al20 (2017)
  • 著者名/発表者名: 志村 恭通
  • 学会等名: Strongly Correlated Electron Systems 2017
  • 国際学会
• [学会発表] alpha-YbAlB4の高磁場気抵抗効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 志村 恭通, Q. Zhang, B. Zeng, L. Balicas, 中辻 知
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学(石川県金沢市角間町)
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Field-Induced Quadrupolar Quantum Critical Phenomena in PrV2Al20 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimura, M. Tsujimoto, B. Zeng, Q. Zhang, L. Balicas, A. Sakai, and S. Nakatsuji
  • 学会等名: MPIPKS/ISSP International Workshop
  • 発表場所: Germany, Max Planck Institute for the Physics of Complex System
  • 年月日: 2016-02-29
  • 国際学会
• [学会発表] Field-Induced Quadrupolar Quantum Criticality in the Heavy Fermion Superconductor PrV2Al20 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimura, M. Tsujimoto, B. Zeng, Q. Zhang, L. Balicas, A. Sakai, and S. Nakatsuji
  • 学会等名: TMU International Symposium on New Quantum Phases Emerging from Novel Crystal Structure
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都八王子市)
  • 年月日: 2015-09-24
  • 国際学会
• [学会発表] PrV2Al20における極低温磁気抵抗効果と異方的磁気相図 (2015)
  • 著者名/発表者名: 志村 恭通、辻本 真規、Bin Zeng、Qiu Zhang、Luis Balicas、酒井 明人、中辻 知
  • 学会等名: 日本物理学会2015 秋季大会
  • 発表場所: 関西大学(大阪府吹田市山手町)
  • 年月日: 2015-09-16