銅酸化物高温超伝導体における新奇な電荷密度波の核磁気共鳴法による研究

• 研究課題/領域番号: 19K03747
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 川崎 慎司 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (80397645)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 銅酸化物高温超伝導 / 核磁気共鳴 / 電荷密度波 / 銅酸化物高温超伝導体 / 電荷揺らぎ / 高温超伝導 / 銅酸化物 / 擬ギャップ / 一軸歪

研究開始時の研究の概要

「超伝導」は、無損失送電や余剰電力蓄電を実現する革新的技術の一つである。本研究は、室温超伝導の最有力候補、銅酸化物高温超伝導体に注目する。銅酸化物は、母物質の反強磁性絶縁体に電子やホールを導入することで「反強磁性が抑制されて超伝導が発現する」ことが知られ、これまでは「磁性」に基づく超伝導機構研究が中心であった。ところが最近、超伝導直前に、電荷が空間的濃淡を作る、電荷密度波（CDW）秩序が発見され、「電荷」が重要であることがわかった。本研究は、磁性にも電荷にも敏感な核磁気共鳴（NMR）法（医療用MRIと原理は同じ）を用いて、新奇なCDWと超伝導との関係を明らかにするため実験的研究を実施する。

研究成果の概要

本研究は、既知の物質の中で室温超伝導に最も近い銅酸化物高温超伝導体における新奇な電荷密度波秩序の起源解明を目的として核磁気共鳴（NMR）実験に取り組んだ。系統的なNMR実験から、高温超伝導発現背景にこれまで信じられてきた「磁気揺らぎ」に加え「電荷揺らぎ」が重要であることを示す新しい知見を得た。本研究成果を踏まえて今後電荷に着目した理論や実験研究の発展が期待出来る。さらに重い電子系超伝導に関する研究も実施した。また、最近物性実験で注目されている新しい外部パラメータ「一軸ひずみ」をNMR実験に導入することも目的の一つであったが、研究期間内に独自のピエゾ駆動型一軸ひずみセルの開発に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

「超伝導」は将来の脱炭素社会実現に向け有効な省エネ技術の一つであるが、室温超伝導物質がなく、超伝導利用には低温寒剤など超伝導維持コストが普及を妨げている。銅酸化物高温超伝導体は室温超伝導最有力候補物質であるが、超伝導発現機構は不明で室温超伝導開発指針もない。本研究は、銅酸化物の未解明電子状態「擬ギャップ」の起源解明の鍵とされる電荷密度波秩序の研究を実施した。結果、銅酸化物の物理において重要と信じられてきた磁気揺らぎに加え「電荷」揺らぎが重要である証拠を得た。今後高温超伝導発現機構を考える上で電荷に着目した理論や実験研究の発展が期待出来る。さらには将来の脱炭素社会実現に寄与できる。

研究成果

• [雑誌論文] Transport signatures of the pseudogap critical point in the cuprate superconductor Bi$_2$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_{6+\delta}$ (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Lizaire, A. Legros, A. Gourgout, S. Benhabib, S. Badoux, F. Laliberte, M.-E. Boulanger, A. Ataei, G. Grissonnanche, D. LeBoeuf, S. Licciardello, S. Wiedmann, S. Ono, H. Raffy, S. Kawasaki, G.-Q. Zheng, N. Doiron-Leyraud, C. Proust, and L. Taillefer
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.014515
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge Order and Fluctuations in Bi$_2$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_{6+\delta}$ Revealed by $^{63,65}$Cu-Nuclear Magnetic Resonance (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinji Kawasaki, Madoka Ito, Dai Kamijima, Chengtian Lin, and Guo-qing Zheng
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn 巻: 90 号: 11 ページ: 111008-111008
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.111008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Antiferromagnetic spin fluctuations and superconductivity in NbRh$_2$B$_2$ and TaRh$_2$B$_2$ with a chiral crystal structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Matano, Ryo Ogura, Mateo Fountaine, Harald O. Jeschke, Shinji Kawasaki, and Guo-qing Zheng
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.224508
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Localized-to-itinerant transition preceding antiferromagnetic quantum critical point and gapless superconductivity in CeRh0.5Ir0.5In5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki Shinji、Oka Toshihide、Sorime Akira、Kogame Yuji、Uemoto Kazuhiro、Matano Kazuaki、Guo Jing、Cai Shu、Sun Liling、Sarrao John L.、Thompson Joe D.、Zheng Guo-qing
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 3 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s42005-020-00418-x
  • NAID: 120006884910
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] トポロジカル超伝導体Cu$_x$Bi$_2$Se$_3$の作製と物性測定IV (2022)
  • 著者名/発表者名: 西垣颯, 峰明日香, 横山武蔵, 俣野和明, 神戸高志, 川崎慎司, 鄭国慶
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 空間反転対称性の破れた超伝導体(Nb,Ta)Rh$_2$B$_2$の超伝導とスピン揺らぎ (2022)
  • 著者名/発表者名: 俣野和明, 小椋亮, Mateo Fountaine, Harald O. Jeschke, 川崎慎司, 鄭国慶
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Bi$_2$Sr$_{2-x}$La$_x$CuO$_6$超伝導体における電荷密度波秩序と揺らぎの一軸歪み効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佃菜桜, 伊藤まどか, 川崎慎司, Chengtian Lin, 鄭国慶
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Localized-to-itinerant transition preceding antiferromagnetic quantum critical point and gapless superconductivity in CeRh$_{0.5}$Ir$_{0.5}$In$_5$ (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Kawasaki, T. Oka, A. Sorime, Y. Kogame, K. Uemoto, K. Matano, J. Guo, S. Cai, L. L. Sun, J. L. Sarrao, J. D. Thompson, and Guo-qing Zheng
  • 学会等名: International conference on strongly correlated electron systems 2020 (SCES2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 重い電子系反強磁性超伝導体CeRh0.5Ir0.5In5における局在・遍歴転移とギャップレス超伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川崎慎司，岡利英，反り目章，小亀雄司，上本和宏，俣野和明，J. Guo，S. Cai，Liling Sun，J. L. Sarrao，J. D. Thompson，鄭国慶
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体Bi2Sr2-xLaxCuO6の一軸圧力下63Cu-NMRによる研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田翔伍, 川崎慎司, Chengtian Lin, 鄭国慶
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Charge-density-wave order in single-layered Bi2Sr2-xLaxCuO6 superconductor (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kawasaki, D. Kamijima, M. Kitahashi, Z. Li, C. T. Lin, P. L. Kuhns, A. P. Reyes, and Guo-qing Zheng
  • 学会等名: Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unconventional Gapless Superconductivity at the Quantum Critical Point in CeRh0.5Ir0.5In5 (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kawasaki, T. Oka, A. Sorime, Y. Kogame, K. Uemoto, K. Matano, J. Guo, S. Cai, L. L. Sun, J. L. Sarrao, J. D. Thompson, and Guo-qing Zheng
  • 学会等名: International conference on strongly correlated electron systems 2019 (SCES2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 重い電子系反強磁性体Ce3Pt4In13の低温高圧下115In-NQR法による研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小亀雄司, 伊藤大河, 足立智樹, J. Yang, 川崎慎司, 鄭国慶
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会