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超高感度熱輸送および磁気測定による新規秩序相と創発準粒子の探索

研究課題

研究課題/領域番号 23H00089
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分13:物性物理学およびその関連分野
研究機関大阪大学 (2025)
京都大学 (2023-2024)

研究代表者

松田 祐司  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 招へい教員 (50199816)

研究分担者 芝内 孝禎  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
橋本 顕一郎  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00634982)
末次 祥大  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00893710)
石原 滉大  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (00961690)
幸坂 祐生  京都大学, 理学研究科, 教授 (80455344)
浅場 智也  京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (90909417)
笠原 裕一  京都大学, 理学研究科, 准教授 (10511941)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
47,710千円 (直接経費: 36,700千円、間接経費: 11,010千円)
2025年度: 14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)
2024年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
2023年度: 22,230千円 (直接経費: 17,100千円、間接経費: 5,130千円)
キーワード量子スピン液体 / 異方的超伝導 / エニオン / カイラルエッジ流 / 近藤絶縁体 / カゴメ金属 / 熱量子ホール効果 / マヨラナ粒子 / スピン三重項超伝導 / 強磁性超伝導 / ネマティック状態 / ループ電流
研究開始時の研究の概要

凝縮系物理学において最も魅力的な研究対象は、新規秩序相とそれに伴うエキゾチック準粒子の創発である。ここ数年の大きく発展した例として、磁性体や超伝導体における非自明なトポロジカル秩序相とそれに伴う素励起がある。近年の研究で、超高感度の熱輸送現象と角度分解磁気測定はこのような相や励起を探る強力なプローブであることが実証された。本研究では、強相関係、特に量子スピン系、非従来型超伝導体、異常金属・絶縁体をターゲットに、熱ホール効果と磁気異方性を世界最高感度で測定できる装置を用い、さらに弾性抵抗測定等と組み合わせることにより、これまで検出できなかった新規秩序相と創発エキゾチック準粒子の検出を試みる。

研究実績の概要

本年度は、まずキタエフ量子スピン液体候補物質a-RuCl3に対しの希釈冷凍機温度での比熱測定を行った。磁場を単結晶試料に対して様々な方向にかけて測定した結果、磁場をb軸に平行にかけたときディラックコーン特有の温度依存性が観測され、さらに磁場をb軸から少しだけ傾けただけでこの温度依存性は消失することを明らかにした。この結果と熱ホール効果の符号変化により、マヨラナ励起の決定的証拠を示した。次に電子線照射によりランダムネスを導入したa-RuCl3の比熱測定を行い、マヨラナ励起特有のスケーリング則を見出した。さらにスピン三重項強磁性超伝導体UTe2の極低温熱輸送測定を行い、熱伝導度が超伝導状態において磁場に対してほとんど変化しないことを示した。この結果は、この物質がノードを持たないフルギャップ超伝導体であることを明らかにした。このことはUTe2が超流動ヘリウム3のB相に類似した超伝導体であることを示している。さらにカゴメ金属CsV3Sb7において超高精度の磁気トルク測定を行い電荷密度波転移よりも高い温度で、系の6回対称性が敗れたネマティック相転移が起こっていることを明らかにした。さらにこの系のネマティック状態において一次相転移が起こることを示し、これがループ電流によるものであることを明らかにした。さらに最近発見された、完全カゴメ結晶構造を持つYCOBと呼ばれる絶縁体において強磁場磁化測定を行い、長年の謎であった磁化の1/9プラトーを発見した。これは量子スピン系が新しい量子状態にあることを直接示すものである。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初予期しなかったキタエフ量子スピン液体における比熱の劇的な角度依存性を発見した。さらにUTe2ではこれまでほとんどのグループによりポイントノードを持つことが提唱されてきたが、超純良結晶を用いた測定によりこれを覆す発見ができた。さらにカゴメ金属において予期せぬネマティック相転移を発見し、さらに長年の固体物理学における謎であったループ電流の証拠を見つけることができた。これらはどでの予期せぬ発見であり、当初の計画以上に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

今後のもこれまでの研究を継続してゆくとともに、単層膜のa-RuCl3のトンネル分光や、最近発見された完全なカゴメ楮を持つ磁性体の磁気特性を調べて行きたい。さらにカゴメ金属におけるループ電流のさらなる検証を輸送現象や核磁気共鳴法の実験により行いたい

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 7件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 13件、 招待講演 6件)

  • [雑誌論文] Evidence for an odd-parity nematic phase above the charge-density-wave transition in a kagome metal2024

    • 著者名/発表者名
      Asaba T.、Onishi A.、Kageyama Y.、Kiyosue T.、Ohtsuka K.、Suetsugu S.、Kohsaka Y.、Gaggl T.、Kasahara Y.、Murayama H.、Hashimoto K.、Tazai R.、Kontani H.、Ortiz B. R.、Wilson S. D.、Li Q.、Wen H. -H.、Shibauchi T.、Matsuda Y.
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 20 号: 1 ページ: 40-46

    • DOI

      10.1038/s41567-023-02272-4

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Transport evidence for twin-boundary pinning of superconducting vortices in FeSe2024

    • 著者名/発表者名
      Terashima Taichi、Fujii Hideaki、Matsushita Yoshitaka、Uji Shinya、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada、Kasahara Shigeru
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 号: 1 ページ: 014518-014518

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.014518

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fully gapped pairing state in spin-triplet superconductor UTe22024

    • 著者名/発表者名
      Suetsugu Shota、Shimomura Masaki、Kamimura Masashi、Asaba Tomoya、Asaeda Hiroto、Kosuge Yuki、Sekino Yuki、Ikemori Shun、Kasahara Yuichi、Kohsaka Yuhki、Lee Minhyea、Yanase Youichi、Sakai Hironori、Opletal Petr、Tokiwa Yoshifumi、Haga Yoshinori、Matsuda Yuji
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 10 号: 6

    • DOI

      10.1126/sciadv.adk3772

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Defect-Induced Low-Energy Majorana Excitations in the Kitaev Magnet <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mtext>?</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>RuCl</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math>2024

    • 著者名/発表者名
      Imamura K.、Mizukami Y.、Tanaka O.、Grasset R.、Konczykowski M.、Kurita N.、Tanaka H.、Matsuda Y.、Yamada M.?G.、Hashimoto K.、Shibauchi T.
    • 雑誌名

      Physical Review X

      巻: 14 号: 1 ページ: 011045-011045

    • DOI

      10.1103/physrevx.14.011045

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Majorana-fermion origin of the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl <sub>3</sub>2024

    • 著者名/発表者名
      Imamura Kumpei、Suetsugu Shota、Mizukami Yuta、Yoshida Yusei、Hashimoto Kenichiro、Ohtsuka Kenichi、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Noh Pureum、Nasu Joji、Moon Eun-Gook、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 10 号: 11

    • DOI

      10.1126/sciadv.adk3539

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Expanded quantum vortex liquid regimes in the electron nematic superconductors FeSe1?xSx and FeSe1?xTex2023

    • 著者名/発表者名
      Culo M.、Licciardello S.、Ishida K.、Mukasa K.、Ayres J.、Buhot J.、Hsu Y.-T.、Imajo S.、Qiu M. W.、Saito M.、Uezono Y.、Otsuka T.、Watanabe T.、Kindo K.、Shibauchi T.、Kasahara S.、Matsuda Y.、Hussey N. E.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 4150-4150

    • DOI

      10.1038/s41467-023-39730-9

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin fluctuations from Bogoliubov Fermi surfaces in the superconducting state of S-substituted FeSe2023

    • 著者名/発表者名
      Yu Zhongyu、Nakamura Koya、Inomata Kazuya、Shen Xiaoling、Mikuri Taketora、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada、Uwatoko Yoshiya、Fujiwara Naoki
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 6 号: 1 ページ: 175-175

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01286-x

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Unusual crossover from Bardeen-Cooper-Schrieffer to Bose-Einstein-condensate superconductivity in iron chalcogenides2023

    • 著者名/発表者名
      Mizukami Yuta、Haze Masahiro、Tanaka Ohei、Matsuura Kohei、Sano Daiki、B?ker Jakob、Eremin Ilya、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 6 号: 1 ページ: 183-183

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01289-8

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Presence/absence of thermal conductivity oscillations and quantized thermal Hall effect in ultra-clean crystals of Kitaev magnet α-RuCl32024

    • 著者名/発表者名
      笠原裕一
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Anomalous spatial oscillations in a monolayer Kitaev quantum spin liquid candidate α-RuCl32024

    • 著者名/発表者名
      幸坂祐生
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] odd-parity nematic phase above the charge density wave transition in a kagome metal2024

    • 著者名/発表者名
      浅場智也
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Emergent spin-gapped magnetization plateaus in a spin-1/2 perfect kagome antiferromagnet2024

    • 著者名/発表者名
      末次祥大
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fully gapped pairing state in spin-triplet superconductor UTe22024

    • 著者名/発表者名
      末次祥大
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Majorana-fermion origin for the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl32023

    • 著者名/発表者名
      松田祐司
    • 学会等名
      Conference on Fractionalization and Emergent Gauge Fields in Quantum Matter
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evidence for an odd-parity nematic phase above the charge-density-wave transition in akagome metal2023

    • 著者名/発表者名
      松田祐司
    • 学会等名
      3rd ARPES workshop ARPES meets crystal growth and characterization
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fully gapped pairing state in spin-triplet superconductor UTe22023

    • 著者名/発表者名
      末次祥大
    • 学会等名
      Conference of Condensed Matter Physics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Majorana-fermion origin for the planar thermal Hall effect of Kitaev candidate alpha-RuCl32023

    • 著者名/発表者名
      松田祐司
    • 学会等名
      LANL-PSI Workshop on Correlated and Topological Quantum Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Growth of self-integrated atomic quantum wires and juncFons of a Mob semiconductor2023

    • 著者名/発表者名
      浅場智也
    • 学会等名
      LANL-PSI Workshop on Correlated and Topological Quantum Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Majorana Fermions and Half-integer Thermal Quantum Hall Effect in a Quantum Magnet2023

    • 著者名/発表者名
      松田祐司
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fully Gapped Pairing State in Spin-triplet Superconductor UTe22023

    • 著者名/発表者名
      末次祥大
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Majorana Fermions and Half-integer Thermal Quantum Hall Effect in an Insulating Quantum Magnet2023

    • 著者名/発表者名
      松田祐司
    • 学会等名
      Magnetic Frontiers 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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