強相関電子ガラスにおけるナノクラスター電子状態の実空間観察

• 研究課題/領域番号: 18KK0375
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(A))
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分29010:応用物性関連
• 研究機関: 東京大学 (2019-2023); 東北大学 (2018)
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2019 – 2023
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)
• キーワード: 電荷ガラス / 抵抗ノイズ測定 / 熱膨張率 / 有機導体 / ノイズ分光 / 三角格子 / 幾何学的フラストレーション / 走査型近接場光顕微鏡お / 非線形伝導 / 走査型近接場光顕微鏡 / 誘電ノイズ測定 / 誘電率測定

研究開始時の研究の概要

近年、有機固体結晶中の伝導電子が、強い電子相関と幾何学的フラストレーション効果により、ランダムな電荷分布・電荷配置のまま凍結した電荷ガラス状態が見出され、大きな注目を集めている。電荷ガラス状態では、巨大非線形伝導や負性抵抗領域における自発的電流振動現象などが観測されており、ナノクラスター電子構造との関連性が議論されている。本研究では、電荷ガラス物質における非自明な巨大非線形・非平衡応答と実空間でのナノクラスター電子構造の関係を明らかにするために、走査型近接場光顕微鏡および走査型局所誘電ノイズ測定を駆使して、電荷ガラス状態における電子構造のナノスケール実空間観察を行う。

研究実績の概要

近年、物性物理学の分野において、有機固体結晶中の伝導電子が、強い電子相関と幾何学的フラストレーション効果により、ランダムな電荷分布・電荷配置のまま凍結した電荷ガラス状態が見出され、大きな注目を集めている。電荷ガラス状態では、巨大非線形伝導や負性抵抗領域における自発的電流振動現象などが観測されており、X線構造解析から示唆されるナノクラスター電子構造との関連性が議論されている。しかし、ナノメートルサイズの電荷クラスターを実空間で直接観察した例はない。そこで本研究では、電荷ガラス物質における「非自明な巨大非線形・非平衡応答」と「実空間でのナノクラスター電子構造」の関係を明らかにすることを目的として、国際共同研究のもと、強相関電子系における電子相関を起源とした本質的不均一構造がもたらす非自明かつ巨大な非線形・非平衡現象の物理的起源を解明することを目指している。
当該年度は、ドイツ(フランクフルトおよびドレスデン)に合計約3ヶ月間滞在し、電荷ガラス形成物質θ-(BEDT-TTF)2MM'(SCN)4のノイズ分光測定および熱膨張率を行った。その結果、BEDT-TTF分子の末端エチレン基がアニオン分子であるMM'(SCN)4に拠らず100 K付近で構造ガラス転移を示すことを明らかにした。今後、電荷ガラス形成とBEDT-TTF分子の末端エチレン基の構造ガラス転移の関係を明らかにすることが、本物質で観測される不均一構造の理解に繋がると考えられる。
なお、研究実施時期が一部コロナ禍と重なり、ドイツへ渡航ができない期間があったが、その間はオンラインツールを有効活用することで、ドイツの研究グループと密接な連携を図り、実験を継続して行ってもらった。実際の渡航期間は180日未満であったが、これらの期間を考慮した上で、実質的な渡航期間は180日以上に相当するとして、本研究を完了した。

研究成果

• [国際共同研究] フランクフルト大学(ドイツ) (2019)
• [国際共同研究] ドレスデン工科大学(ドイツ) (2019)
• [雑誌論文] Combined experimental and theoretical studies on glasslike transitions in the frustrated molecular conductors θ-(BEDT-TTF)2MM'(SCN)4 (2024)
  • 著者名/発表者名: Saito Yohei、Ganter Owen、Shang Chao、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Winter Stephen M.、Muller Jens、Lang Michael
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 6 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.6.023003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bulk evidence of anisotropic s-wave pairing with no sign change in the kagome superconductor CsV3Sb5 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 667-667
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36273-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Double dome structure of the Bose-Einstein condensation in diluted S=3/2 quantum magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Yoshito、Miyake Atsushi、Gen Masaki、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada、Ikeda Akihiko、Tokunaga Masashi、Kurumaji Takashi、Tokunaga Yusuke、Arima Taka-hisa
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 1260-1260
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36725-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pure nematic quantum critical point accompanied by a superconducting dome (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishida Kousuke、Onishi Yugo、Tsujii Masaya、Mukasa Kiyotaka、Qiu Mingwei、Saito Mikihiko、Sugimura Yuichi、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 18
  • DOI: 10.1073/pnas.2110501119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of the charge-crystal and charge-glass state in geometrically frustrated organic conductors studied by fluctuation spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Thomas Tatjana、Thyzel Tim、Sun Hungwei、Muller Jens、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Yamamoto Hiroshi M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 20 ページ: 205111-205111
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.205111
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical Conductivity Spectra of Charge-Crystal and Charge-Glass States in a Series of θ-Type BEDT-TTF Compounds (2022)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Kenichiro、Kobayashi Ryota、Ohkura Satoshi、Sasaki Satoru、Yoneyama Naoki、Suda Masayuki、Yamamoto Hiroshi M.、Sasaki Takahiko
  • 雑誌名: Crystals 巻: 12 号: 6 ページ: 831-831
  • DOI: 10.3390/cryst12060831
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Involvement of structural dynamics in charge-glass formation in strongly frustrated molecular metals (2022)
  • 著者名/発表者名: Thomas Tatjana、Saito Yohei、Agarmani Yassine、Thyzel Tim、Lonsky Martin、Hashimoto Kenichiro、Sasaki Takahiko、Lang Michael、M?ller Jens
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 4 ページ: 041114-041114
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l041114
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic Torque due to Anisotropic Diamagnetism in Neutral BEDT-TTF Crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Uji Shinya、Terashima Taichi、Sugiura Shiori、Iguchi Satoshi、Sasaki Takahiko、Hashimoto Kenichiro、Shimozawa Masaaki、Yoneyama Naoki、Kato Reizo
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 11 ページ: 113708-113708
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.113708
  • NAID: 210000159428
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strongly correlated superconductivity in a copper-based metal-organic framework with a perfect kagome lattice (2021)
  • 著者名/発表者名: Takenaka T.、Ishihara K.、Roppongi M.、Miao Y.、Mizukami Y.、Makita T.、Tsurumi J.、Watanabe S.、Takeya J.、Yamashita M.、Torizuka K.、Uwatoko Y.、Sasaki T.、Huang X.、Xu W.、Zhu D.、Su N.、Cheng J.-G.、Shibauchi T.、Hashimoto K.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 12
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3996
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Pressure Phase Diagrams of FeSe1-xTex: Correlation between Suppressed Nematicity and Enhanced Superconductivity (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Mukasa, K. Matsuura, M. Qiu, M. Saito, Y. Sugimura, K. Ishida, M. Otani, Y. Onishi, Y. Mizukami, K. Hashimoto, J. Gouchi, R. Kumai, Y. Uwatoko, and T. Shibauchi
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 12 号: 1 ページ: 381-381
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20621-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Signature of band inversion in the perovskite thin-film alloys BaSn1?xPbxO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiogai Junichi、Chida Takumaru、Hashimoto Kenichiro、Fujiwara Kohei、Sasaki Takahiko、Tsukazaki Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 12 ページ: 125125-125125
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.125125
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Superconductivity in copper-based MOFs (2023)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Randomness effect on charge glass formation in θ-type BEDT-TTF compounds (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Hashimoto
  • 学会等名: SPICE Workshop “New Spin on Molecular Quantum Materials”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 分子性固体オンラインセミナー(オンライン)
  • 招待講演
• [学会発表] 二次元配位高分子における強相関超伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 日本学術振興会181委員会 第37回研究会(オンライン)
  • 招待講演
• [学会発表] カゴメ格子系超伝導の超伝導ギャップ構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [学会発表] Exotic physical properties emerging from geometrically frustrated pi electrons: From quantum liquids to superconductivity (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Hashimoto
  • 学会等名: International Symposium on Molecular Science Cosponsored by Japan Society for Molecular
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体中の電子のガラス化と結晶化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: KEK 素核宇・物性連携研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 強相関電子ガラスにおける幾何学的フラストレーションとランダムネス効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] スピントリプレット超伝導体UTe2における磁場侵入長測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石原滉大，六本木雅生，小林雅之，水上雄太，橋本顕一郎，酒井宏典，芳賀芳範，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] BiCh2系超伝導体における磁場侵入長測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 六本木雅生，石原滉大，水上雄太，星和久，水口佳一，橋本顕一郎，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3におけるトポロジカル相転移の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鵜飼柚希，笠原裕一，末次祥大，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
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における磁場中比熱の異方性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原澤龍平，田中桜平，水上雄太，栗田伸之，田中秀数，山田昌彦，藤本B，笠原裕一，松田祐司，Eun-Gook Moon，橋本顕一郎，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] キタエフ物質α-RuCl3における電子線照射の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 今村薫平，田中桜平，水上雄太，原澤龍平，橋本顕一郎，栗田伸之，田中秀数，山田昌彦，藤本聡，松田祐司，E.-G. Moon，M. Konczykowski，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] レーザー角度分解光電子分光によるFe(Se,S)の非ネマティック相における超伝導状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長島椿，橋本嵩広，Sahand Najafzadeh，大内俊一郎，鈴木剛，福島昭子，笠原成，松田祐司，松浦康平，水上雄太，橋本顕一郎，芝内孝禎，辛埴，岡﨑浩三
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 幾何学的フラストレーションと電子相関が生み出す量子凝縮相 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: ISSP ワークショップ：量子物質研究の最近の進展と今後の展望
  • 招待講演
• [学会発表] FeSe1-xTexの単結晶試料合成と電子相図の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 斎藤三樹彦，松浦康平，向笠清隆，杉村優一，大谷椋，邱明?，石田浩祐，大西由吾，水上雄太，橋本顕一郎，熊井玲児，郷地順，上床美也，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 鉄系超伝導体FeSe1-xTexの圧力下電子相図 (2020)
  • 著者名/発表者名: 向笠清隆，松浦康平，杉村優一，大谷椋，邱明?，斎藤三樹彦，石田浩祐，大西由吾，水上雄太，橋本顕一郎，郷地順，上床美也，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 鉄系超伝導体Fe(Se,Te)におけるネマティック量子臨界点 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石田浩祐，大西由吾，辻井優哉，向笠清隆，邱明?，斎藤三樹彦，松浦康平，杉村優一，水上雄太，橋本顕一郎，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] レーザー励起光電子顕微鏡を用いたSrVO3における強磁性ドメインの観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 影山遥一，児玉壮平，水上雄太，谷内敏之，橋本顕一郎，Arnaud Fouchet，Andr?s F. Santander-Syro，辛埴，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 二次元カゴメ格子をもつ金属有機構体における強相関超伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: つくば-柏-本郷 超伝導かけはしプロジェクトワークショップ(3)
• [学会発表] 強相関電子ガラスにおける幾何学的フラストレーションとランダムネス効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋本顕一郎
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] 鉄系超伝導体FeSe1-xTexの電子相図の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 向笠清隆，松浦康平，杉村優一，大谷椋，邱明_，斎藤三樹彦，石田浩祐，大西由吾，水上雄太，橋本顕一郎，熊井玲児，郷地順，上床美也，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Fe(Se,Te)における電子ネマティック秩序 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石田浩祐，大西由吾，辻井優哉，向笠清隆，杉村優一，邱明_，松浦康平，斎藤三樹彦，水上雄太，橋本顕一郎，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における磁場中比熱の異方性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 原澤龍平，田中桜平，水上雄太，栗田伸之，田中秀数，Eun-Gook Moon，笠原裕一，松田祐司，橋本顕一郎，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 二次元カゴメ格子を持つ金属有機構造体における強相関超伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原滉大，竹中崇了，橋本顕一郎，繆逸杰，鳥塚潔，郷地順，上床美也，鶴見淳人，牧田龍幸，渡邉峻一郎，竹谷純一，佐々木孝彦，X. Huang，W. Xu，D. Zhu，N. Su，J. -G. Cheng，芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Randomness effect on the time-temperature-transformation diagram in a charge-ordered organic material (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Hashimoto
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Geometrical frustration effects on charge and spin degrees of freedom in strongly correlated π electrons (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenichiro Hashimoto
  • 学会等名: ELECTRON CORRELATION IN SUPERCONDUCTORS and NANOSTRUCTURES ( ECSN-2019 )
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 芝内・橋本研究室HP
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/index.html