電流で誘起されるモット絶縁体の新奇な電子状態

• 研究課題/領域番号: 17F17027
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 外国
• 研究分野: 物性Ⅱ(実験)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 前野 悦輝 京都大学, 理学研究科, 教授 (80181600)
• 研究分担者: SOW CHANCHAL 京都大学, 理学研究科, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 2018年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2017年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 非平衡定常状態（NESS) / NESS / モット絶縁体 / モット半金属 / 巨大反磁性 / ルテニウム酸化物 / スイッチィング

研究実績の概要

本研究の目的である、直流電流による非平衡定常状態（Non-Equilibrium Steady State; NESS）で創発する新現象の開拓とその機構解明に向けた研究を進め、以下の成果を挙げた。
◆ルテニウム層状酸化物Ca2RuO4におけるNESSでのモット・ギャップの減少と、それに伴って発現する巨大反磁性誘起に関し、新たな概念であるモット半金属としての理解を深めた。また、東北大学金属材料研究所の附属強磁場超伝導材料研究センターに出向いて強磁場中交流磁化率測定を行い、巨大反磁性の再現に成功した。さらに、米国Stony Brook大学との国際共同研究で、走査型近接場顕微鏡を用いて電流下での金属・絶縁体相境界の微細構造を明らかにした。この成果論文はPhys. Rev. X誌に出版された。
◆2層系ルテニウム酸化物Ca3(Ru1-xTix)2O7において、電流のオン・オフによって低温での導電性および磁性のスイッチングができることを明らかにした。Ca2RuO4と比較して、反磁性が出現する類似性と、磁気秩序の安定性に関する相違点を明らかにした。また、電流密度対温度の物性状態相図を明らかにした。これらの研究成果を取りまとめて投稿した論文（arXiv:1902.02515）は、Phys. Rev. Lett.誌に掲載されることが決まった。
◆NESSでのルテニウム酸化物で我々が発見した現象の一般性を明らかにするために、ルテニウム酸化物以外のモット絶縁体での同様の現象を探索した。
◆2018年7月の磁性国際会議（ICM-2018, San Francisco）にて、Sowが本研究成果に関する口頭講演を行った。また、9月には北京大学での国際会議でもSowが招待講演を行った。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30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] Stony Brook Univ./Columbia Univ./Lawrence Berkeley National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] Seoul National Univ./Chungbuk National University(韓国)
• [国際共同研究] Max Planck Inst. for Phys. Comp. Sys./Max Planck Inst. for Chem. Phys. Solids(ドイツ)
• [国際共同研究] Seoul National Univ./Chungbuk National Univ(韓国)
• [国際共同研究] Stony Brook Univ./Stanford Univ./Univ. Illinois, Urbana-Champaign(米国)
• [国際共同研究] MPI-PKS (Dresden)/MPI-CPfS (Dresden)(Germany)
• [国際共同研究] McMaster Univ.(Canada)
• [雑誌論文] Nano-Resolved Current-Induced Insulator-Metal Transition in the Mott Insulator Ca2RuO4 (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhang Jiawei, McLeod Alexander S., Han Qiang, Chen Xinzhong, Bechtel Hans A., Yao Ziheng, Gilbert Corder S. N., Ciavatti Thomas, Tao Tiger H., Aronson Meigan, Carr G. L., Martin Michael C., Sow Chanchal, Yonezawa Shingo, Nakamura Fumihiko, Terasaki Ichiro, Basov D. N., Millis Andrew J., Maeno Yoshiteru, Liu Mengkun
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 9 号: 1 ページ: 011032-011032
  • DOI: 10.1103/physrevx.9.011032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Abnormal phase flip in the coherent phonon oscillations of Ca2RuO4 (2018)
  • 著者名/発表者名: Lee Min-Cheol, Kim Choong H., Kwak Inho, Kim J., Yoon S., Park Byung Cheol, Lee Bumjoo, Nakamura F., Sow C., Maeno Y., Noh T. W., Kim K. W.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 16 ページ: 161115-161115
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.161115
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Current-induced strong diamagnetism in the Mott insulator Ca2RuO4 (2017)
  • 著者名/発表者名: Chanchal Sow, Shingo Yonezawa, Sota Kitamura, Takashi Oka, Kazuhiko Kuroki, Fumihiko Nakamura, Yoshiteru Maeno
  • 雑誌名: Science 巻: 358 号: 6366 ページ: 1084-1087
  • DOI: 10.1126/science.aah4297
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Current-induced giant diamagnetism and Mott semimetal behavior in single crystal Ca2RuO4 (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: International Conference on Magnetism (ICM)
  • 国際学会
• [学会発表] Current-induced giant diamagnetism and Mott semimetal behavior in Ca2RuO4. (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: 2nd international workshop on “quantum materials and topological materials”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Current-induced strong diamagnetism in the Mott Insulator Ca2RuO4. (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: International mini-workshop on “Nonequlibrium transport and phase transition in novel materials”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Current-induced strong diamagnetism from the Mott state of Ca2RuO4 (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: International School on Topological Science and Topological Matters: Feb., 2017, Kyoto, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Giant diamagnetism in Ca2RuO4 induced by DC current (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: JPS 73rd Annual Meet: March, 2018, Chiba, Japan
• [学会発表] DC current controlled diamagnetism in the Ca3(Ru1-xTix)2O7 system (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: TopoMat2017: May 9, 2017, Kyoto, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Switching between Mott-insulating state and diamagnetic state with DC current in Ca3(Ru1-xTix)2O7 (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: JPS 2017 Autumn Meeting: Sept, 2017, Iwate, Japan
• [学会発表] Current induced giant diamagnetism in Ca2RuO4 (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: ETH-Amsterdam-Kyoto mini-workshop: Oct. 20, 2017, Kyoto
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Switching between Mott-insulating and diamagnetic states with DC current in Ca3Ru2O7 (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Sow
  • 学会等名: OSS-2017 Workshop: Nov., 2017, Kyoto, Japan
  • 国際学会