先進的フォノン分光手法を用いた電荷密度波の形成機構の解明

• 研究課題/領域番号: 22K14009
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 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: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 村井 直樹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究員 (90784223)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: Kohn異常 / 電荷密度波 / 非弾性X線散乱 / 電子格子相互作用 / 超伝導 / 非弾性中性子散乱

研究開始時の研究の概要

超伝導相と共存・競合する電荷密度波(CDW)の存在は, 従来型・非従来型を問わず, 様々なタイプの超伝導体で観測されている. 本研究課題では, J-PARC，SPring-8の最先端の非弾性分光技術を駆使した超精密なフォノン分散測定を行い，CDW秩序の起源となる電子格子相互作用の定量的評価を行う. 特に，遷移金属カルコゲナイド, 銅酸化物高温超伝導体という性質の大きく異なる2系統のCDW-超伝導共存物質を対象としたフォノン分光測定を行い，CDW 転移の「普遍性」と物質に依存する「個別性」を抽出することで，物質間の違いを超えて，CDW不安定性の起源を統一的に理解する.

研究実績の概要

非弾性X線散乱手法を用いた電荷密度波(Charge Density wave; 以下CDWと略)の研究を行った．測定対象として遷移金属カルコゲナイド物質ZrTe3に注目した．この物質の特徴は，TeサイトのSe置換によるCDW相を抑制と超伝導相の安定化が可能である点である．我々は非弾性X線散乱を用いたZrTe3のフォノン分散測定を行い，CDW波数q = (0.07, 0, 0.33)近傍におけるフォノンのソフト化(Kohn異常)と零エネルギーへの凍結(CDW転移)を観測した．また，CDWの消失が示唆されていたSe置換領域(X Zhu et al., Sci. Rep. 6, 26974 (2016).)においても，母相と同様のKohn異常とCDWの超格子反射を観測した．これはZrTe3の電子相図の再考を促す結果である．理論グループとの共同研究により，ネスティング関数のピーク位置における不安定フォノンの存在が示された．従って，ZrTe3のCDW不安定性は起源は，他の多くのCDW系で指摘されている電子格子相互作用の行列要素の波数依存性ではなく，よりシンプルにフェルミ面のネスティング描像で理解出来る．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

2023年度中にフォノン計測を完結させる計画であったが，過去の研究(X Zhu et al., Sci. Rep. 6, 26974 (2016).)でCDWの消失が示唆されていたSe置換領域においても，母相と同様のKohn異常とCDWの超格子反射を観測した．先行研究の再考する必要性が生じたため，追加のフォノン測定が進行中である．このような状況を鑑み，現在までの進捗状況を「やや遅れている」とした．

今後の研究の推進方策

2024年度中に追加のフォノン測定が完了する．不安定モードの起源に関しても，密度汎関数理論から同定されつつある．従って，2024年度の比較的早い時期にZrTe3のCDW不安定性に関する第一報を投稿出来ると考えている．

研究成果

• [雑誌論文] Interplay between crystal field and magnetic anisotropy in the triangular-lattice antiferromagnet NaTmTe2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Zheng Shiyi、Gu Yiqing、Gu Yimeng、Kao Zeyu、Wang Qisi、Wo Hongliang、Zhu Yinghao、Liu Feiyang、Wu Liusuo、Sheng Jieming、Chang Johan、Ohira-Kawamura Seiko、Murai Naoki、Niedermayer Christof、Mazzone Daniel Gabriel、Chen Gang、Zhao Jun
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 号: 7 ページ: 075159-075159
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.075159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiferromagnetic ordering and chiral crystal structure transformation in Nd3Rh4Sn13 (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimoda Ami、Iwasa Kazuaki、Kuwahara Keitaro、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Ishikado Motoyuki、Nakao Akiko、Ohira-Kawamura Seiko、Murai Naoki、Ohhara Takashi、Nambu Yusuke
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 号: 13 ページ: 134425-134425
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.134425
  • 査読あり
• [雑誌論文] A one-third magnetization plateau phase as evidence for the Kitaev interaction in a honeycomb-lattice antiferromagnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Shangguan, S. Bao, Z-Y. Dong, N. Xi, Y-P.Gao, Z. Ma, W. Wang, Z. Qi, S. Zhang, Z. Huang, J. Liao, X. Zhao, B. Zhang, S. Cheng, H Xu, D. Yu, R. A. Mole, N. Murai, S. Ohira-Kawamura, L. He, J. Hao, Q-B. Yan, F. Song, W. Li, S-L.Yu, J-X. Li and J. Wen
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 19 号: 12 ページ: 1883-1889
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02212-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bond-dependent anisotropy and magnon decay in cobalt-based Kitaev triangular antiferromagnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Chaebin、Kim Sujin、Park Pyeongjae、Kim Taehun、Jeong Jaehong、Ohira-Kawamura Seiko、Murai Naoki、Nakajima Kenji、Chernyshev A. L.、Mourigal Martin、Kim Sung-Jin、Park Je-Geun
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 19 号: 11 ページ: 1624-1629
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02180-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental evidence for the significance of optical phonons in thermal transport of tin monosulfide (2023)
  • 著者名/発表者名: Wu Peng、Murai Naoki、Li Tongrui、Kajimoto Ryoichi、Nakamura Mitsutaka、Kofu Maiko、Nakajima Kenji、Xia Kang、Peng Kunling、Zhang Yue、Zhao Weisheng
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 25 号: 1 ページ: 013032-013032
  • DOI: 10.1088/1367-2630/acb3ed
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin gap in the weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet KCuPO4・H2O (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujihala M.、Hagihala M.、Morita K.、Murai N.、Koda A.、Okabe H.、Mitsuda S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 5 ページ: 054435-054435
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.054435
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic magnon damping by zero-temperature quantum fluctuations in ferromagnetic CrGeTe3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Chen Lebing、Mao Chengjie、Chung Jae-Ho、Stone Matthew B.、Kolesnikov Alexander I.、Wang Xiaoping、Murai Naoki、Gao Bin、Delaire Olivier、Dai Pengcheng
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31612-w
  • 査読あり
• [学会発表] 非弾性中性子分光を用いたBa0.75K0.25Fe2As2のスピン感受率の3次元構造の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 村井直樹, 鈴木雄大, 中島正道, 古府麻衣子, 河村聖子, 稲村泰弘, 梶本亮一
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会（2023年）
• [学会発表] 非弾性中性子散乱で観測する鉄系超伝導体の3次元電子構造とマルチギャップ構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村井直樹, 鈴木雄大, 中島正道, 古府麻衣子, 河村聖子, 梶本亮一
  • 学会等名: 10/26
• [学会発表] スピン1/2 三角格子反強磁性体Ba3CoSb2O9の構造的な連続励起と短距離相関 (2022)
  • 著者名/発表者名: 児島佑樹, 中島健次, 栗田伸之, 田中秀数, 河村聖子, 村井直樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] チェッカーボード格子反強磁性体KCuPO4H2Oの磁性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤原理賀, 森田克洋, 満田節生, 岡部博孝, 幸田章宏, 村井直樹, 萩原雅人
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会