ウラン化合物における新奇超伝導多重相と異常金属電子状態の解明

• 研究課題/領域番号: 20K03851
• 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: 東北大学
• 研究代表者: 清水 悠晴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90751115)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 強相関電子系 / ウラン化合物 / スピン三重項超伝導 / アクチナイド物性 / 磁気特性 / 非フェルミ液体異常金属 / 電子状態 / 新奇相 / 非フェルミ液体状態 / 超伝導 / 磁性 / 超伝導多重相

研究開始時の研究の概要

本研究では、スピン三重項超伝導体の候補であるUTe2、UNi2Al3における超伝導ギャップ構造と超伝導相の磁気特性の解明に加え、それらの対形成機構を明らかにする上で重要な『フェルミ面近傍の5f電子状態（トポロジーと有効質量）』や『非フェルミ液体異常金属状態』、さらには『新奇トポロジカル量子現象』をウラン系超伝導体UBe13及び同じ結晶構造を持つMBe13（M=希土類元素）に加え、UTe2、UNi2Al3、それらの関連物質において明らかにする。

研究成果の概要

本研究では、ウラン化合物の超伝導・磁気特性の解明と新奇量子相の開拓を研究目的とし、単結晶育成技術と極低温精密物性測定による実験的研究を実施した。超高精度磁化測定技術開発によりUNi2Al3微小単結晶の定量的な磁化測定を実現し、希釈冷凍機温度まで超伝導相での磁気特性を明らかにした。UTe2の極低温磁化・比熱測定を集中的に行ない、超伝導準粒子励起や渦糸状態における新奇な磁気特性を明らかにした。UBe13の精密磁化測定・比熱測定を実施し、5f電子状態に起因する異方的な磁気異常を観測した。ウラン系新奇物質探索も精力的に行なった。URhSnの純良単結晶育成に成功し、磁場強化される新奇量子相を発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ウラン化合物の異常な超伝導特性・磁気特性の解明は、未解明現象の多いスピン三重項超伝導に関する基礎学理を構築することに繋がる。スピン三重項超伝導は量子技術への応用が期待されているが、固体には珍しくその有力候補はウラン系化合物に限られているため、ウラン系超伝導に関する研究成果は希少価値が高い。また、本研究によって開発した超高精度磁化測定技術は、様々な強相関物質の極低温温度領域における磁気特性を明らかにする上で非常に有効であり、今後幅広い応用が期待される。さらにURhSnの新奇量子相の発見は、「隠れた秩序相」などの5f電子系異常物性を理解する重要なステップとなる成果である。

研究成果

• [国際共同研究] University Grenoble Alpes, CEA/LNCMI(フランス)
• [雑誌論文] Single crystal growth and magnetic phase diagram of the enantiopure crystal of NdPt2B (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki J. Sato, Fuminori Honda, Arvind Maurya, Yusei Shimizu, Ai, Nakamura, Yoshiya Homma, Dexin Li, Yoshinori Haga, Dai Aoki
  • 雑誌名: Physical Review Materials (Editors' Suggestion) 巻: 5 ページ: 0344111-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic response of spin susceptibility in the superconducting state of UTe 2 probed with 125 Te － NMR measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Genki Nakamine, Katsuki Kinjo, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Yo Tokunaga, Hironori Sakai, Shinsaku Kambe, Ai Nakamura, Yusei Shimizu, Yoshiya Homma, Dexin Li, Fuminori Honda, and Dai Aoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 10 ページ: 100503-4
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l100503
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-Triplet Superconductivity in UTe2 and Ferromagnetic Superconductors (2020)
  • 著者名/発表者名: Aoki Dai、Nakamura Ai、Honda Fuminori、Li DeXin、Homma Yoshiya、Shimizu Yusei、Sato Yoshiki J.、Knebel Georg、Brison Jean-Pascal、Pourret Alexandre、Braithwaite Daniel、Lapertot Gerard、Niu Qun、Valiska Michal、Harima Hisatomo、Flouquet Jacques
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30 ページ: 011065-011065
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011065
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rare-Earth Atomic Motion in RBe13 (R: La, Pr, Sm) (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsutsui Satoshi、Shimizu Yusei、Hidaka Hiroyuki、Koriki Akinari、Murata Ryoya、Yoda Yoshitaka、Yanagisawa Tatsuya、Amitsuka Hiroshi
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30 ページ: 0111151-6
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011115
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single Crystal Growth and de Haas-van Alphen Effect of Non-Centrosymmetric Heavy-Fermion Compound UPt5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshiki J.、Harima Hisatomo、Nakamura Ai、Maurya Arvind、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30 ページ: 0111711-6
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011171
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single Crystal Growth and Anisotropy of the Upper Critical Field of CeIr3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshiki J.、Shimizu Yusei、Honda Fuminori、Nakamura Ai、Homma Yoshiya、Maurya Arvind、Li Dexin、Aoki Dai
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 29 ページ: 0110071-5
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.011007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 11B-NMR Investigation for Crystal Structure in Antiferromagnet UNi4B (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi R.、Kishimoto Y.、Kotegawa H.、Harima H.、Homma Y.、Honda F.、Nakamura A.、Shimizu Y.、Li D. X.、Aoki D.、Tou H.
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 29 ページ: 0130011-6
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.013001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic and Electronic Properties of the Ternary Compound U2T3Si5 (T = Rh, Ir) (2020)
  • 著者名/発表者名: Honda Fuminori、Kawamura Naomi、Li Dexin、Hirose Yusuke、Homma Yoshiya、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Maurya Arvind、Sato Yoshiki J.、Aoki Dai
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 29 ページ: 0130021-6
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.013002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical Transport under Pressure in Non-centrosymmetric URhSn (2020)
  • 著者名/発表者名: Maurya Arvind、Honda Fuminori、Shimizu Yusei、Nakamura Ai、Sato Yoshiki J.、Homma Yoshiya、Li DeXin、Aoki Dai
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 29 ページ: 014003-014003
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.014003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple Superconducting Phases and Unusual Enhancement of the Upper Critical Field in UTe2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Aoki Dai、Honda Fuminori、Knebel Georg、Braithwaite Daniel、Nakamura Ai、Li DeXin、Homma Yoshiya、Shimizu Yusei、Sato Yoshiki J.、Brison Jean-Pascal、Flouquet Jacques
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 5 ページ: 0537051-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.053705
  • NAID: 210000158132
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropy of the Upper Critical Field in the Heavy-Fermion Superconductor UTe2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Georg Knebel, Motoi Kimata, Michal Valiska, Fuminori Honda, DeXin Li, Daniel Braithwaite, Gerard Lapertot, William Knafo, Alexandre Pourret, Yoshiki J. Sato, Yusei Shimizu, Takumi Kihara, Jean-Pascal Brison, Jacques Flouquet, and Dai Aoki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 5 ページ: 0537071-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.053707
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Orientation of point nodes and nonunitary triplet pairing tuned by the easy-axis magnetization in UTe2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kittaka Shunichiro、Shimizu Yusei、Sakakibara Toshiro、Nakamura Ai、Li Dexin、Homma Yoshiya、Honda Fuminori、Aoki Dai、Machida Kazushige
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 032014-032014
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.032014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] de Haas?van Alphen Effect and Fermi Surface Properties in Single-Crystalline ThCu2Si2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Ai、Honda Fuminori、Homma Yoshiya、Li Dexin、Shimizu Yusei、Maurya Arvind、Sato Yoshiki J.、Harima Hisatomo、?nuki Yoshichika、Aoki Dai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 9 ページ: 0947031-6
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.094703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Orbital crossing in spin-split Fermi surfaces and anisotropic effective mass of the noncentrosymmetric heavy-fermion paramagnet UPt5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshiki J.、Harima Hisatomo、Nakamura Ai、Maurya Arvind、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 12 ページ: 1251141-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.125114
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic and transport properties of new ternary uranium-based germanide U2Rh3Ge5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Li D X、Shimizu Y、Nakamura A、Maurya A、Sato Y J、Homma Y、Honda F、Aoki D
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 32 号: 49 ページ: 4958041-7
  • DOI: 10.1088/1361-648x/abb31a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strong magnetic anisotropy and unusual magnetic field reinforced phase in URhSn with a quasi-kagome structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Yusei、Miyake Atsushi、Maurya Arvind、Honda Fuminori、Nakamura Ai、Sato Yoshiki J.、Li Dexin、Homma Yoshiya、Yokoyama Makoto、Tokunaga Yo、Tokunaga Masashi、Aoki Dai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 13 ページ: 1344111-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.134411
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropy of upper critical field and surface superconducting state in the intermediate-valence superconductor CeIr3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Yoshiki J.、Honda Fuminori、Shimizu Yusei、Nakamura Ai、Homma Yoshiya、Maurya Arvind、Li Dexin、Koizumi Takatsugu、Aoki Dai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 17 ページ: 1745031-10
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.174503
  • 査読あり / 国際共著