| 研究課題/領域番号 |
20K03830
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
山内 徹 東京大学, 物性研究所, 技術専門員 (10422445)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 3d1電子正方格子Mott絶縁体 / 八重極子秩序 / 圧力誘起異常金属相 / 強相関スピン軌道結合物質 / Sr2VO4 / 高静水圧力下磁場中電気測定 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
Sr2VO4の圧力下電子物性は，過去に例のないほど複雑である．この複雑な物性が，スピン軌道相互作用を組み込んだ強相関物質の相図(Krempa相図と呼ぶ)を用いて説明可能かを検証することが，本課題の核心である．この場合，高圧低温下の異常金属相がトポロジカル絶縁体状態の特徴を持つはずである．厳密には磁場中抵抗測定ではトポロジカル絶縁体か否かを確定できない．しかし，確定的な主張は出来ずともKrempa相図とこの圧力下電子物性との間の関連性が積み上がってゆく．以上は，片々たるバナジウム酸化物の電子物性を議論しているに様にみえるが，実は強相関電子系のトポロジカルな性質の解明という大きな枠組みで捉えうる．
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| 研究実績の概要 |
前回報告した，測定および装置制御用PCの暴走に起因する熱暴走とフェイルセーフ機構の作動不良が重なって，予定していた複合極限環境発生装置が致命的なダメージを負った問題で，殆どのエフォートを装置修復に費やしてきたが，現実的なコストでの修復は断念せざるを得ない状況に至った．ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)製の上下二本の高断熱荷重印加シャフトを機械的精度をたもちつつ交換し，荷重印加時の安全性を担保する歪み検出用のストレインゲージや，温度計磁場計，目的物性の検出など測定時の様々なデータ取得用配線，過昇温防止用のサーモスタットを組み込んだ温度コントロール用ヒータ配線などを行い，試行測定までこぎつけた．しかし，装置の心臓部と言えるマルチアンビル型圧力発生部が，加熱事故により当初の機械的強度を保っておらず，事故前の応力ストレイン特性が再現せず，しかもストレインのバランスも保てないことが判明し，荷重印加時にフャフト座屈の危険性が高いことが判った．
同圧力発生部は銅ベリリウム合金製の一種の金型で，この合金は加熱温度によっては機械的強度が失われる可能性がある．この部分を作製し直すと，200万円程度のコストがかかる．しかも間の悪いことに，外的要因で液体ヘリウムの価格の暴騰がある．一方，当装置は運用時に多くの液体ヘリウムを消費することを前提に設計されている．以上2つのコスト増は，現実的な費用内での研究の遂行をほぼ不可能にしていると判断した．
そこで，当初目的としていた12GPaを断念し，7GPa程度を目標とした非常に小型の圧力セルの作製をすることにした．設計は昨年度中に完了し現在加工業者にて作成中で，6月中旬の納品が予定されている．納品後Quantum Desgin社製mpmsを用いて，できるだけ速やかに荷重圧力曲線等の圧力性能評価を行う．またその際，検出可能な磁化の実効的な値も併せて評価する．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
実績の概要でも述べた通り，昨年度来取り組んできたマルチアンビル型複合極限環境発生装置の復旧ではあるが，残念ながらそれは現実的にほぼ困難であることが判明した．装置の心臓部とも言える圧力発生を担うマルチアンビル部は，荷重印加機構も含めて，公差20マイクロメートル程度の機械的精度が求められて居る．昨年度に報告した熱的暴走により，荷重印加時，圧力発生部に許容できないほどの幾何学的歪みが生じ，それを補正するには当該部分の作製し直しが必須となることが判明したのである．
この歪みは，装置を2K程度の低温にするために必要な比較的長い1m程度のGFRP製のシャフトに，70トン程度の荷重が印加された場合，シャフトの座屈のリスクをもたらす．座屈した場合，シャフトに溜まった弾性エネルギーが，4kg程度の金属の塊である圧力発生部の運動エネルギーに瞬間的に変換され，人身事故の可能性まである．
勿論それ相応のコストをかければ復旧は可能であるが，装置の修復コスト以外に，物性研究所の液体ヘリウムの供給単価が研究計画を立てた当初の価格に比べて，マクロ経済環境の変化に伴い約2.9倍に暴騰したことも，計画当初の方針で研究を続けることを困難にしている．装置設計当時，液体ヘリウムの供給単価はかなり安価だったため，運用時に多くの液体ヘリウムを消費することを前提に装置は設計されている．以上の理由により，この装置を用いた研究方針を断念し，今後の研究の推進方策に示すように，大幅に研究計画を変更する．
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| 今後の研究の推進方策 |
7GPa級の非常に小型でQuantum Desgin社製SQUID magnet meterに搭載可能な圧力セルの設計を既に完了している．現在加工業者にて作成中で納品は6月中旬を予定して居る．費用は少し残額のある本課題の基金を充当する．納品後，同magnet meterを用いて速やかに荷重圧力曲線等の圧力性能評価を行い，また検出可能な磁化の実効的な値も併せて評価する．alpha-Sr2VO4やbeta-Na0.33V2O5の場合，劇的変化のある臨界圧力が其々6.0および7.2GPaである．現在作成中の圧力セルで，予定して居る性能が実現できれば，上記両物質の極めて興味深い臨界圧力近傍で，初めて直流帯磁率が観測されることになる．
K2NiF4構造をとるMott絶縁体である，本課題の主題物質alpha-Sr2VO4は，3d遷移金属酸化物であるにも関わらずスピン軌道相互作用が無視できず八重極子秩序基底状態をとるとの理論サイドからの主張がある．この主張が正しい場合，同物質はMott絶縁体が実現するほどの3d遷移金属酸化物特有の大きな電子相関をもちつつ，基底状態を支配するほどのスピン軌道相互作用をもつ，従来にないclassに分類される稀有な物質と考えられる．実験的に同物質は6.0GPa付近でのMott転移を含む極めて複雑な相転移を示す．特に7GPa以上の電気抵抗温度依存性曲線は，室温付近では通常の金属，120Kで金属絶縁体転移状をしたのち，50K以下で再び金属的振る舞いにリエントラントする．また，beta-Na0.33V2O5は7.2GPaで反強磁性電荷秩序絶縁体相が圧力で融解し，9K程度の超伝導相が出現する．以上の背景から，この両物質の臨界圧力近傍の直流帯磁率は大変興味深いが，今の所そのデータは存在していないので，上記計画は合理的目標と考えている．
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