量子臨界揺らぎがもたらすエキゾチック超伝導現象の機構解明

• 研究課題/領域番号: 20K03852
• 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: 茨城大学
• 研究代表者: 横山 淳 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (70361285)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 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: 超伝導 / 磁気秩序 / 量子臨界現象 / 量子臨界揺らぎ

研究開始時の研究の概要

本研究では、エキゾチック超伝導体CeCoIn5が示す異常な超伝導物性「磁気変調を伴う超伝導相(Q相)」や「レゾナンスピーク」の機構と、それらに対する量子臨界揺らぎの役割の解明を目指す。研究手法として、CeCoIn5のZnイオンおよびNiイオン置換系に対して巨視・微視測定を行い、それらが示す磁気秩序や非フェルミ液体状態に関する物性を明らかにする。さらに、イオン置換量を制御することによって、磁気秩序や非フェルミ液体状態の性質とCeCoIn5が持つ異常超伝導状態の相関を明らかにし、量子臨界現象がもたらす異常な超伝導物性の発現に関して包括的に理解する。

研究成果の概要

エキゾチック超伝導体CeCoIn5にZnを混入すると、超伝導転移温度は抑制されるとともに低磁場および高磁場領域に2種類の反強磁性秩序が誘起される。一方、Niを混入すると、超伝導転移温度は抑制され量子臨界揺らぎのみが発現する。本研究では、巨視・微視実験を駆使することによってこれらの反強磁性秩序の量子臨界揺らぎの特性を調べ、低磁場反強磁性の量子臨界点は超伝導相内に共存することや、高磁場反強磁性の量子臨界点は超伝導と競合的な関係にあることを発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、エキゾチック超伝導体CeCoIn5のZnおよびNi置換系において、2つの磁気的秩序変数に起因した量子臨界点およびその量子磁気揺らぎを発見した。これらは、CeCoIn5が示す異常超伝導物性と密接に関係していることを強く示唆する。CeCoIn5の超伝導物性については理論的・実験的研究の蓄積によって個々の異常物性の理解は進みつつある。今回の上記発見により、量子臨界現象を起源とした異常超伝導物性として系統的・包括的理解が進むことが期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] フランス原子力庁/グルノーブル・アルプ大学(フランス)
• [国際共同研究] スタンフォード大学/ロスアラモス国立研究所(米国)
• [国際共同研究] 浙江大学(中国)
• [国際共同研究] フランス原子力庁/グルノーブル・アルプ大学(フランス)
• [国際共同研究] ロスアラモス国立研究所(米国)
• [国際共同研究] フランス原子力庁(フランス)
• [国際共同研究] ロスアラモス国立研究所/国立強磁場研究所(米国)
• [国際共同研究] フランス原子力庁(フランス)
• [国際共同研究] ロスアラモス国立研究所/国立強磁場研究所(米国)
• [雑誌論文] Modulation vector of the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in CeCoIn 5 revealed by high-resolution magnetostriction measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Kittaka, Y. Kono, K. Tsunashima, D. Kimoto, M. Yokoyama, Y. Shimizu, T. Sakakibara, M. Yamashita, K. Machida
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 107 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l220505
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Weyl-Kondo semimetal behavior in the chiral structure phase of Ce3Rh4Sn13 (2023)
  • 著者名/発表者名: Iwasa Kazuaki、Suyama Kazuya、Ohira-Kawamura Seiko、Nakajima Kenji、Raymond St?phane、Steffens Paul、Yamada Akira、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Kawasaki Ikuto、Fujimori Shin-ichi、Yamagami Hiroshi、Yokoyama Makoto
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.014201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evolution of the electronic structure and correlations accompanied by suppression of itinerant ferromagnetism in Sr1-x(La0.5K0.5)xRuO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki Ikuto、Fujimori Shin-ichi、Takeda Yukiharu、Yamagami Hiroshi、Rahmanto、Honma Yutoku、Matsuoka Kensuke、Yokoyama Makoto
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.195122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct measurement of the evolution of magnetism and superconductivity toward the quantum critical point (2022)
  • 著者名/発表者名: Higemoto Wataru、Yokoyama Makoto、Ito Takashi U.、Suzuki Taiga、Raymond Stephane、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 49
  • DOI: 10.1073/pnas.2209549119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nested antiferromagnetic spin fluctuations and non-Fermi-liquid behavior in electron-doped CeCo1-xNixIn5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakai H.、Tokunaga Y.、Kambe S.、Zhu J.-X.、Ronning F.、Thompson J. D.、Kotegawa H.、Tou H.、Suzuki K.、Oshima Y.、Yokoyama M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 23 ページ: 235152-1
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.235152
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nature of field-induced antiferromagnetic order in Zn-doped CeCoIn5 and its connection to quantum criticality in the pure compound (2022)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Makoto、Honma Yutoku、Oshima Yoshiki、Rahmanto、Suzuki Kohei、Tenya Kenichi、Shimizu Yusei、Aoki Dai、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Nakamura Shota、Kono Yohei、Kittaka Shunichiro、Sakakibara Toshiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 5 ページ: 054515-054515
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.054515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscale heterogeneity induced by nonmagnetic Zn dopants in the quantum critical metal CeCoIn5: 115In NQR/NMR and 59Co NMR study (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakai H.、Tokunaga Y.、Kambe S.、Zhu J.-X.、Ronning F.、Thompson J. D.、Ramakrishna S. K.、Reyes A. P.、Suzuki K.、Oshima Y.、Yokoyama M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 8 ページ: 0851061-12
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.085106
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Avoided quantum criticality and cluster-glass formation in itinerant ferromagnet Sr1-x(La0.5K0.5)xRuO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwahara Ryoya、Sugawara Ryoma、Rahmanto、Honma Yutoku、Matsuoka Kensuke、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Tenya Kenichi、Yokoyama Makoto
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 号: 7
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.074404
  • 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
• [学会発表] ホール抵抗測定で探るNi置換したCeCoIn5のキャリアドープ効果と量子臨界現象 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小泉遼介, 矢代安澄, 高橋哲平, 清水悠晴, 青木大, 天谷健一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] CaRuO3のLa0.5K0.5イオン置換系における非フェルミ液体からフェルミ液体へのクロスオーバー (2024)
  • 著者名/発表者名: 海老澤秀明, 塩澤悠花, 杉谷美奈, 松尾晶, 金道浩一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 重い電子超伝導体CeCoIn5のZnイオン置換系における反強磁性秩序と量子臨界現象 (2023)
  • 著者名/発表者名: 横山淳
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 重い電子系超伝導体CeCo1－xNixIn5の超伝導抑制と結晶格子の関連 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小泉遼介, 井能楓, 矢代安澄, 杉谷美奈, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Ni置換したCeCoIn5の超伝導相近傍で発達する量子臨界ゆらぎ (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢代安澄, ラフマント, 鈴木康平, 清水悠晴, 本多史憲, 青木大, 天谷健一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Ni置換したCeCoIn5における量子臨界性の磁場角度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井波駆, 橘高俊一郎, 河野洋平, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Ce(Co1－xNix)In5の超伝導状態のミュオンスピン回転法による観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 髭本亘, 横山淳, 中野裕章, 高久雅暉, 宮田侑, 伊藤孝
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 比熱や磁化測定から見るCeCo(1－x)NixIn5の量子臨界揺らぎ (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋哲平, 鈴木康平, 横山淳, 松尾晶, 金道浩一, 中村翔太, 清水悠晴, 榊原俊郎
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Zn イオン置換したCeCoIn5 の超伝導と反強磁性秩序の共存 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井能楓, 小日向実佳, 細貝明日香, 岩佐和晃, 大山研司, 松尾晶, 金道浩一, 天谷健一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Weyl-Kondo Semimetal Behavior in the Chiral Structure Phase of Ce3Rh4Sn13 (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Iwasa, K. Suyama, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, S. Raymond, P. Steffens, A. Yamada, T. D. Matsuda, Y. Aoki, I. Kawasaki, S.-i. Fujimori, H. Yamagami, and M. Yokoyama
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Neutron-Scattering Study for Antiferromagnetic Order in Zn-doped CeCoIn5 (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Inoh, A. Yashiro, A. Hosogai, R. Koizumi, H. Ebisawa, T. Takahashi, I. Kawasaki, D. Okuyama, Hung-Cheng Wu, T. J. Sato, K. Iwasa, K. Ohoyama, S. Raymond, K. Tenya, and M. Yokoyama
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Lattice Properties in Heavy-fermion Superconductor CeCo1－xNixIn5 (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Koizumi, K. Inoh, A. Yashiro, and M. Yokoyama
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems SCES 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場角度分解磁歪測定から探るCeCoIn5のFFLO相転移 (2023)
  • 著者名/発表者名: 橘高俊一郎, 綱島海斗, 木元大介, 河野洋平, 清水悠晴, 山下穣, 榊原俊郎, 横山淳, 町田一成
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] ミュオンで見たZn置換CeCoIn5の超伝導状態における磁性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 髭本亘, 横山淳, 伊藤孝, 中野裕章, 鈴木泰雅, Stephane Raymond, 栁瀬陽一
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 中性子散乱で見るZnイオン置換したCeCoIn5の反強磁性構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井能楓, 矢代安澄, 小泉遼介, 細貝明日香, 海老澤秀明, 高橋哲平, 川崎郁斗, 奥山大輔, Hung-Cheng Wu, 佐藤卓, 岩佐和晃, 大山研司, Stephane Raymond, 天谷健一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Ni置換したCeCoIn5の超伝導消失と量子臨界ゆらぎ (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢代安澄, ラフマント, 鈴木康平, 清水悠晴, 本多史憲, 青木大, 天谷健一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 重い電子系超伝導体CeCo1-xNixIn5の結晶格子特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小泉遼介, 井能楓, 矢代安澄, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 重い電子超伝導体CeCo1-xNixIn5の結晶格子特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小泉遼介, 矢代安澄, 井能楓, 鈴木康平, 横山淳
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
• [学会発表] CeCoIn5における磁場誘起非フェルミ液体異常のNi置換効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 矢代安澄, Rahmanto, 鈴木康平, 井能楓, 清水悠晴, 青木大, 横山淳
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
• [学会発表] CeCo1-xNixIn5の量子臨界揺らぎと超伝導上部臨界磁場 (2022)
  • 著者名/発表者名: 横山淳
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所大洗・アルファ合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 重い電子超伝導体CeCo1－xNixIn5の量子臨界揺らぎ (2021)
  • 著者名/発表者名: 横山淳
  • 学会等名: 東北大学大洗・アルファ合同研究会
• [学会発表] 重い電子系超伝導体CeCoIn5におけるNi置換効果とZn置換効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 酒井宏典, 徳永陽, 芳賀芳範, 神戸振作, J.-X. Zhu, F. Ronning, S. K. Ramakrishna, A. P. Reyes, 小手川恒, 藤秀樹, 鈴木康平, 大島佳樹, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] CeCoIn5の量子臨界揺らぎとZn置換系における磁場誘起反強磁性の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横山淳, 本間友徳, 大島佳樹, ラフマント, 鈴木康平, 天谷健一, 清水悠晴, 青木大, 松尾晶, 金 道浩一, 中村翔太, 河野洋平, 橘高俊一郎, 榊原俊郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 重い電子系超伝導体CeCoIn5におけるNi置換効果のNMR (2021)
  • 著者名/発表者名: 酒井宏典, 徳永陽, 芳賀芳範, 神戸振作, J.-X. Zhu, F. Ronning, 小手川恒, 藤秀樹, 鈴木康平, 大島佳樹, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 重い電子超伝導体CeCoIn5における縦波弾性定数の静水圧依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 徳永淳志, 佐藤晴耕, 赤津光洋, 根本祐一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Relationship between quantum critical fluctuations and anomalous superconductivity in CeCoIn5 and its ionic substitutions (2020)
  • 著者名/発表者名: Makoto Yokoyama
  • 学会等名: GIMRT Joint International Symposium on Radiation Effects in Materials and Actinide Science (GIMRT-REMAS2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CeCo(In1-xZnx)5のZn濃度-温度-磁場相図 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長谷川奈那, 田山孝, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] 重い電子超伝導体CeCoIn5の弾性的性質に対する圧力効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳永淳志, 佐藤晴耕, 赤津光洋, 根本祐一, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 重い電子系超伝導体CeCoIn5においてZn置換による不均一電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 酒井宏典, 徳永陽, 芳賀芳範, 神戸振作, J.-X. Zhu, F. Ronning, S. K. Ramakrishna, A. P. Reyes, 鈴木康平, 大島佳樹, 横山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [備考] 素粒子ミュオンで捉えた！超伝導に埋もれた微弱な磁気の発見 ―超伝導発現機構の解明に向けて前進―
  • URL: https://www.ibaraki.ac.jp/news/uploads/2022/11/PressRelease_QuantumCriticalPoint_221129.pdf
• [備考] エキゾチック超伝導体CeCoIn5における量子臨界異常の起源を探求
  • URL: http://ltphys.sci.ibaraki.ac.jp/activity-CeCoIn5-Zn-scaling.htm
• [備考] 遍歴強磁性の量子臨界性を回避して現れる磁気ナノクラスターグラス状態
  • URL: http://ltphys.sci.ibaraki.ac.jp/activity-SLKRO.htm