空間反転対称性の破れを人工的に制御した重い電子系超伝導体の物性研究

• 研究領域: 対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
• 研究課題/領域番号: 25103713
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京大学 (2014); 京都大学 (2013)
• 研究代表者: 芝内 孝禎 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2014年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2013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: 空間反転対称性 / エピタキシャル成長 / 重い電子系 / 非従来型超伝導 / パウリ効果 / スピン軌道相互作用 / ラッシュバ分裂 / 分子線エピタキシー

研究実績の概要

本研究の目的は、結晶中における空間反転対称性の破れが電子状態における特異な変化をもたらし、電子相関の強い重い電子系化合物で現れる超伝導状態にどのような影響を与えるかを実験的に明らかにすることを目的としている。平成25年度には、Ce系重い電子系超伝導体のエピタキシャル薄膜作製技術を用いて、CeCoIn5超伝導層とYbCoIn5通常金属層の超格子構造において、通常金属層の厚みに変調をかけることにより人工的に空間反転対称性の制御を行う研究を行った。その結果、変調に伴い、上部臨界磁場に異常な変化を観測し、空間反転対称性の破れの度合いを大きくすることにより、電子構造におけるラッシュバ型のスピン軌道相互作用により、超伝導特性におけるパウリ効果を人工的に制御することに成功した。
平成26年度には、この結果を受け、局所的な空間反転対称性の破れの効果が超伝導だけではなく、量子臨界性にも影響を与えるかどうかを調べるため、反強磁性体CeRhIn5をベースとする超格子構造を作製し、その磁場中での輸送現象測定から、磁場誘起の量子臨界点の現れ方に顕著な磁場方向依存性があることを明らかにした。この結果は、ラッシュ場分裂により、スピンの向きがロックされ、磁場方向により異なるパウリ効果をもたらすことを考えるとうまく説明できることがわかった。これらの結果より、超格子構造により局所的な反転対称性の破れが、強相関電子系では顕著なパウリ効果の変化をもたらすことを実験的に明らかにした。
さらに、重い電子系超伝導体URu2Si2において、この系で議論されている時間反転対称性を破るカイラル超伝導状態に関連した、異常な超伝導揺らぎによる巨大なネルンスト効果の出現を発見した。この結果は、理論的な研究により、カイラル超伝導特有のベリー位相に関する新しい揺らぎの出現を示唆するものである。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Fermi Surface of IrTe2 in the Valence-Bond State as Determined by Quantum Oscillations (2015)
  • 著者名/発表者名: S. F. Blake, M. D. Watson, A. McCollam, S. Kasahara, R. D. Johnson, A. Narayanan, G. L. Pascut, K. Haule, V. Kiryukhin, T. Yamashita, D. Watanabe, T. Shibauchi, Y. Matsuda, A. I. Coldea
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 号: 12 ページ: 121105-121105
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.121105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Colossal thermomagnetic response in the exotic superconductor URu2Si2 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita, Y. Shimoyama, Y. Haga, T.D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Sumiyoshi, S. Fujimoto, A. Levchenko, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 11 号: 1 ページ: 17-20
  • DOI: 10.1038/nphys3170
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-Induced Superconducting Phase of FeSe in the BCS-BEC Crossover (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kasahara, T. Watashige, T. Hanaguri, Y. Kohsaka, T. Yamashita, Y. Shimoyama, Y. Mizukami, R. Endo, H. Ikeda, K. Aoyama, T. Terashima, S. Uji, T. Wolf, H. v. Loehneysen, T. Shibauchi, Y. Matsuda
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 111 号: 46 ページ: 16309-16313
  • DOI: 10.1073/pnas.1413477111
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Disorder-Induced Topological Change of the Superconducting Gap Structure in Iron Pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizukami, M. Konczykowski, Y. Kawamoto, S. Kurata, S. Kasahara, K. Hashimoto, V. Mishra, A. Kreisel, Y. Wang, P. J. Hirschfeld, Y. Matsuda, and T. Shibauchi,
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 5 号: 1 ページ: 5657-5657
  • DOI: 10.1038/ncomms6657
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Fermi surface in FeSe seen by Shubnikov-de Haas oscillation measurements (2014)
  • 著者名/発表者名: Taichi Terashima, Naoki Kikugawa, Andhika Kiswandhi, Eun-Sang Choi, James S. Brooks, Shigeru Kasahara, Tatsuya Watashige, Hiroaki Ikeda, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, Thomas Wolf, Anna E. Bohmer, Frederic Hardy, Christoph Meingast, Hilbert v. Lohneysen, Michi-To Suzuki, Ryotaro Arita, Shinya Uji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 号: 14 ページ: 144517-144517
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.144517
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Observation of Lattice Symmetry Breaking at the Hidden-Order Transition in URu2Si2 (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Tonegawa, S. Kasahara, T. Fukuda, K. Sugimoto, N. Yasuda, Y. Tsuruhara, D. Watanabe, Y. Mizukami, Y. Haga, T. D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Ikeda, Y. Matsuda, and T. Shibauchi,
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 5 号: 1 ページ: 4188-4188
  • DOI: 10.1038/ncomms5188
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Controllable Rashba Spin-Orbit Interaction in Artificially Engineered Superlattices Involving the Heavy-Fermion Superconductor CeCoIn_5 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Shimozawa, et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 112 号: 15 ページ: 156404-156404
  • DOI: 10.1103/physrevlett.112.156404
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pseudogap Formation above the Superconducting Dome in Iron-Pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shimojima et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 89 号: 32-33 ページ: 45101-45101
  • DOI: 10.1080/14786435.2014.887861
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controllable Rashba Spin-Orbit Interaction in Artificially Engineered Superlattices Involving the Heavy-Fermion Superconductor CeCoIn5 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Shimozawa, S. K. Goh, R. Endo, R. Kobayashi, T. Watashige, Y. Mizukami, H. Ikeda, H. Shishido, Y. Yanase, T. Terashima, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Doping evolution of the quasiparticle excitations in heavily hole-doped Ba_<1-x>KxFe_2As_2 : Apossible superconducting gap with sign-reversal between hole pockets (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Watanabe, T. Yamashita, Y. Kawamoto, S. Kurata, Y. Mizukami, et al.
  • 雑誌名: Physieal Review B 巻: 89 号: 11 ページ: 115112-115112
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.115112
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Quantum criticality and BCS-BEC crossover in iron-based superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: KITP Conference on Strong Correlations and Unconventional Superconductivity: Towards a Conceptual Framework
  • 発表場所: Santa Barbara, CA, USA
  • 年月日: 2014-09-22 – 2014-09-26
  • 招待講演
• [学会発表] URu2Si2の隠れた秩序とエキゾチック超伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会 領域8シンポジウム「重い電子系化合物の新展開」
  • 発表場所: 中部大学(愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum criticality in iron pnictide superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires, Argentina
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
  • 招待講演
• [学会発表] 反強磁性量子臨界揺らぎと超伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 東北大金研ワークショップ「多自由度が協奏する分子システムの科学」
  • 発表場所: 東北大学金属材料研究所(仙台市）
  • 年月日: 2014-07-18 – 2014-07-20
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum criticality and unconventional superconductivity in iron-pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: ISSP workshop on "New Horizon of Strongly Correlated Physics" (NHSCP2014)
  • 発表場所: 東京大学物性研究所(柏市）
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] Symmetry Breaking in the Hidden-Order Phase of URu2Si2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: REIMEI Workshop on "Electronic state of URu2Si2 and related systems"
  • 発表場所: 日本原子力研究機構(東海）
  • 年月日: 2014-06-23
  • 招待講演
• [学会発表] The Superconducting Order Parameter in Iron-based Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: International Conferences on Modern Materials and Technologies (CIMTEC 2014), 7th International Conference on Science and Engineering of Novel Superconductors
  • 発表場所: Montecatini Terme, Italy
  • 年月日: 2014-06-16 – 2014-06-19
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Criticality in Iron-pnictide Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: RIKEN-APW joint workshop ``Highlights in condensed matter physics"
  • 発表場所: 和光市理化学研究所
  • 招待講演
• [学会発表] 電子状態相図と不純物効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] Symmetry Breaking in the Hidden-Order Phase of URu2Si2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: Lorentz Center Workshop on Hidden Order, Superconductivity, and Magnetism in URu2Si2
  • 発表場所: Leiden, The Netherlands
  • 招待講演
• [学会発表] Exotic Superconductivity of Heavy Electrons in Artificial Two-Dimensional Kondo Lattices (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: International Conference on Electron Correlation in Nanostructures (ECN-2013)
  • 発表場所: Yalta, Ukraine
  • 招待講演
• [学会発表] Electronic phase diagram of iron-pnictide superconductor BaFe2(As1-xPx)2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: The IUMRS International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM2013): Advanced superconducting materials and its applications
  • 発表場所: Qingdao, China
  • 招待講演
• [学会発表] Superconducting Gap Symmetry in BaFe2As2-Based Superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: International Workshop on Recent Developments in Fe-based high-temperature Superconductors
  • 発表場所: Riverhead, New York, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Symmetry Breaking in the Hidden-Order Phase of URu2Si2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES 2013)
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] Nematic Transition and Antiferromagnetic Quantum Critical Point in BaFe2(As1-xPx)2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS2013)
  • 発表場所: Berkeley, California, USA
  • 招待講演
• [備考] 超伝導ゆらぎによる巨大熱磁気効果の発見
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry351/
• [備考] 鉄系高温超伝導の発現機構を解く鍵となる電子状態を解明
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry350/
• [備考] 「ボース・アインシュタイン凝縮に最も近い超伝導状態」を発見
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry344/
• [備考] 直接観測された物質物理学の謎「隠れた秩序」
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry314/
• [備考] 新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」メンバープロフィール
  • URL: http://www.topological-qp.jp/member/sp_profile/profile_c01_shibauchi.html
• [備考] 研究紹介
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/index.php?%E7%A0%94%E7%A9%B6%E7%B4%B9%E4%BB%8B