磁場で誘起される超伝導スピン凝縮の直接観測

• 研究課題/領域番号: 23K19022
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0202:物性物理学、プラズマ学、原子力工学、地球資源工学、エネルギー学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 金城 克樹 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (80981696)
• 研究期間 (年度): 2023-08-31 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 超伝導 / 強相関電子系 / 中性子散乱

研究開始時の研究の概要

普通の超伝導状態では、電子スピンが逆方向のペア(スピン一重項ペア)を組むため、強い外部磁場中では安定でないという性質がある。しかし、FuldeとFerrell、LarkinとOvchinnikovはそれぞれ独立に、磁場中でのみ安定化する特殊な超伝導状態(FFLO状態)が、一部の超伝導が磁場で壊れる寸前に現れるということを予言した。FFLO状態では、超伝導状態と常伝導状態(普通の金属状態)が空間的に振動する。本研究では、その周期性について、申請者が明らかにしたスピン凝縮をスピンに最も敏感な手法である中性子散乱実験によって明らかにすることを目指す。

研究実績の概要

研究計画に従って、今年度は目的に即した新物質の探索と既知の物質の大型化に取り組んだ。
まず、新物質合成において、Sc-Ru-Sn系の物質をベースにY-系、Lu-系において新物質の探索を行った。結果、Snフラックス中から数㎜サイズの大きな単結晶を取り出すことに成功した。得られた単結晶をもとに粉末X線回折実験を行ったところ、未知の物質であることが示唆された。本系のSc-Ru-Snとの類推から、Y-系、Lu-系共にSc-Rh-Sn系で見られた擬スクッテルダイト構造に由来すると仮定するとすべてのピークが説明されるため、本系における新型の擬スクッテルダイト構造を持つ物質の合成に成功したと考える。加えて、Lu-Ru-Sn系の物質においては1 K程度から反磁性的なシグナルを得た。本シグナルは超伝導転移に由来すると考えられるが、より詳細な研究が必要となる。
加えて、Yb-Cu-Bi系において単結晶合成報告例のないYbCuBiにおいて、Biをフラックスとした単結晶合成を試みた。結果、数㎜角の単結晶合成に成功し、X線回折実験で確かめられた。本物質の低温物性を確かめたところ、約1 Kで反磁性的なシグナルをを観測した。本シグナルは超伝導に由来すると考えられるが、より詳細な研究が必要となる。
既知の物質の大型化では、先行研究の通り、物質合成を行った。結果、Ba-Nb-S系において0.5㎜角程度の小型ながらも単結晶の合成に成功し、X線回折実験と低温物性測定で確かめられた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

新物質探索の結果、本年度はSc-Ru-Sn系の物質をベースにY-系、Lu-系において数㎜サイズの大きな単結晶を取り出すことに成功し、本系における新型の擬スクッテルダイト構造を持つ物質の合成に成功した。さらに、これらの2つの物質は超伝導の傾向である反磁性的なシグナルを示すことを発見した。加えて、Yb-Cu-Bi系において既知の物質に対して低温物性を測定し、超伝導であることを発見した。これら3つの系での超伝導は本実験の目的には使えないが、新物質探索という面で戦略的に新規超伝導体を開拓していくことが可能であると考えている。よっておおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

今年度の研究によって、新物質探索、既知の物質の大型化の両面へのアプローチが確立したといえる。
そこで本年度は、籠状構造や低次元的な構造を持つ様々な物質の類型構造に焦点を当てて、物質開拓を行うとともに、既知の物質に対する合成方法の改良を試行錯誤し、純良大型単結晶合成方法の開拓を行う。
例えば、Ta-Ba-S系、V-Ba-S系においてNb-Ba-Sと同型の物質の探索を行っていく。Nb-Ba-S系では2次元的なファンデルワールス結合を持つ結晶が報告されているが、Ta系、V系では報告例はない。さらに、これらの結果を踏まえ、第4族、あるいは第6族の遷移金属化合物群にも研究対象を拡大しながら研究を進めていく。

研究成果

• [雑誌論文] Unveiling exotic magnetic phase diagram of a non-Heisenberg quasicrystal approximant (2024)
  • 著者名/発表者名: Labib Farid、Nawa Kazuhiro、Suzuki Shintaro、Wu Hung-Cheng、Ishikawa Asuka、Inagaki Kazuki、Fujii Takenori、Kinjo Katsuki、Sato Taku J.、Tamura Ryuji
  • 雑誌名: Materials Today Physics 巻: 40 ページ: 101321-101321
  • DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101321
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Large Perpendicular Magnetic Anisotropy Induced by an Intersite Charge Transfer in Strained EuVO₂H Films (2023)
  • 著者名/発表者名: Namba M., Takatsu H., Mikita R.,Sijia Y., Murayama K., Li H.-B., Terada R., Tassel C., Ubukata H., Ochi M., Saez-Puche R., Latasa E. P., Ishimatsu N., Shiga D., Kumigashira H., Kinjo K., Kitagawa S., Ishida K., Terashima T., Fujita K., Mashiko T., Yanagisawa K., Kimoto K., Kageyama H.
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 40 ページ: 21807-21816
  • DOI: 10.1021/jacs.3c04521
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Superconducting spin reorientation in spin-triplet multiple superconducting phases of UTe ₂ (2023)
  • 著者名/発表者名: Kinjo Katsuki、Fujibayashi Hiroki、Matsumura Hiroki、Hori Fumiya、Kitagawa Shunsaku、Ishida Kenji、Tokunaga Yo、Sakai Hironori、Kambe Shinsaku、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 30 ページ: 2736-4
  • DOI: 10.1126/sciadv.adg2736
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gapless fermionic excitation in the antiferromagnetic state of ytterbium zigzag chain (2023)
  • 著者名/発表者名: Hori Fumiya、Kinjo Katsuki、Kitagawa Shunsaku、Ishida Kenji、Mizutani Souichiro、Yamamoto Rikako、Ohmagari Yudai、Onimaru Takahiro
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 4 号: 1 ページ: 55-55
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00381-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Ru-Sn籠を持つ擬スクッテルダイト化合物の超伝導 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金城克樹, 那波和宏, 佐藤卓, 池田敦俊, 米澤進吾
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] スピン三重項超伝導体UTe2 1.6 K試料におけるナイトシフトa軸成分の再測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中西宏介, 高橋侑希, 松村拓輝, 藤林裕己, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, 徳永陽, 酒井宏典, 神戸振作, 仲村愛, 清水悠晴, 本間佳哉, 李徳新, 本多史憲, 青木大
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] スピン三重項超伝導体UTe2超純良単結晶の圧力下NMR (2023)
  • 著者名/発表者名: 松村拓輝, 高橋侑希, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, 徳永陽, 酒井宏典, 神戸振作, 仲村愛, 清水悠晴, 本間佳哉, 李徳新, 本多史憲, 青木大
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会 2024年3月21日
• [学会発表] Ybジグザグ鎖半導体YbCuS2における新奇準粒子の発見 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀文哉, 金城克樹, 松平広康, 北川俊作, 石田憲二, 大曲雄大, 白井宏尚, 水谷宗一郎, 鬼丸孝博
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 局所空間反転対称性の破れた超伝導体LaRh2As2のNQR: CeRh2As2との比較 (2023)
  • 著者名/発表者名: 尾方司貴, 木舩茉悠, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, Manuel Brando, Elena Hassinger, Christoph Geibel, Seunghyun Khim
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 局所的に反転対称性の破れた超伝導体CeRh2As2の試料純良化による磁気相，超伝導相の変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 尾方司貴, 木舩茉悠, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, Manuel Brando, Elena Hassinger, Helge Rosner, Christoph Geibel, Seunghyun Khim
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 一軸圧下Ru-NQR によるURu2Si2の研究 II (2023)
  • 著者名/発表者名: 神戸振作, 芳賀芳範, 酒井宏典, 徳永陽, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, 播磨尚朝
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] スピン三重項超伝導体UTe2純良単結晶のb軸磁場下NMR (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋侑希, 松村拓輝, 藤林裕己, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, 徳永陽, 酒井宏典, 神戸振作, 清水悠晴, 仲村愛, 李徳新, 本間佳哉, 本多史憲, 青木大
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 極性金属YbCuBiとその周辺物質の単結晶育成と低温物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金城克樹, 池田敦俊, 前野悦輝, 北川俊作, 石田憲二, 米澤進吾, 那波和宏, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] NMR測定から見るスピン三重項超伝導体UTe2純良単結晶の超伝導ギャップ構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松村拓輝, 高橋侑希, 藤林裕己, 金城克樹, 北川俊作, 石田憲二, 徳永陽, 酒井宏典, 神戸振作, 清水悠晴, 仲村愛, 李徳新, 本間佳哉, 本多史憲, 青木大
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 極性金属YbCuBiにおける超伝導とJRR-3 4Gの利用促進 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金城克樹, 池田敦俊, 米澤進吾, 前野悦輝, 北川俊作, 石田憲二, 那波和宏, 佐藤卓
  • 学会等名: アシンメトリ量子キックオフミーティング