量子臨界点近傍の新奇超伝導状態の解明

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02106
• 研究機関: 東京大学
• 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)
• 研究分担者: 水上 雄太 東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (80734095)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 量子臨界点 / BCS-BECクロスオーバー / フェルミエネルギー / 強結合超伝導 / 超伝導揺らぎ / 電子ネマティック秩序 / 非従来型超伝導 / 擬ギャップ

研究実績の概要

本研究では、量子臨界点近傍の超伝導について着目し、量子臨界性に伴う様々な異常物性が超伝導にどのように影響を及ぼすかを明らかにすることを目的としている。特に、量子臨界点近傍では、有効質量の増大に伴い、フェルミエネルギーが小さくなるため、それに伴い、超伝導の結合力の増大により、BCS-BECクロスオーバーの物理を展開することが可能になることが期待される。平成27年度は、特にフェルミエネルギーが小さい電子構造を持つ、FeSe系超伝導体に焦点を当てた研究を展開した。
まず、FeSe純良単結晶試料を用いて、BCS-BECクロスオーバー領域で期待される、転移温度以上の常伝導状態の広い温度領域にわたる前駆的な電子対形成（プリフォームドペア）の有無を調べた。具体的には、磁気トルク測定による詳細な超伝導反磁性成分の定量化を行い、通常の超伝導揺らぎの理論であるガウシアン揺らぎとの比較を行った。その結果、通常に比べ非常におおきな反磁性成分が、転移温度の約2倍程度の高温まで存在することが明らかになり、プリフォームドペアが存在していることを明らかにした。この成果は、今まで実在の固体では困難であった、BCS-BECクロスオーバーの物理学を、この系で詳細に調べることができるようになったという点で重要である。
さらに、FeSeでは、90ケルビンで正方晶から直方晶への構造相転移を示し、大きなab面内異方性を生じる電子ネマティック秩序が形成されることがしられているが、Seサイトを等電荷数を持つSで一部置換した系において、電子ネマティック相を抑制し、この相の量子臨界点を実現することに成功した。この量子臨界点はよく見られる反強磁性相の量子臨界点とは異なり、磁性を示さず、回転対称性の破れた秩序の新しい量子臨界点であり、この量子臨界性が超伝導にどのように影響を及ぼすかを調べることが重要な課題となると考えられる。

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

平成27年度については、FeSe系に焦点を当てた研究を行い、まず、その電子構造の決定のために高磁場磁気抵抗による量子振動測定を行った。その結果、低温における電子ネマティック相では、マルチバンドの電子構造を持ち、すべてのバンドのフェルミエネルギーが数meV程度の非常に小さいことが明らかになった。この小さなフェルミエネルギーは、この系の超伝導のエネルギーギャップと同程度であり、通常の超伝導で期待される振る舞いとは大きく異なる。このようなフェルミエネルギーに比べ非常に「大きな」超伝導ギャップを持つ系では、超伝導の本質である電子対形成にかかわる結合力が非常に大きいことを意味しており、弱結合結合の超伝導理論であるBCS理論と、強結合極限の理論であるボーズ凝縮（BEC)のクロスオーバー領域に位置しているということができる。このBCS-BECクロスオーバーは主に冷却原子系で研究がなされているが、実在の固体では研究対象物質が存在しなかった。本研究により、このような物理学の展開が可能になったといえる。本研究では、磁気トルク測定により、この系の巨大な超伝導揺らぎを発見し、クロスオーバー領域で期待されるプリフォームドペアの存在を示唆する結果を得た。
さらに、FeSe系における電子ネマティック秩序とその量子臨界点の研究を展開した。特に、ネマティック揺らぎの定量化にあたり、ピエゾ素子を活用した、ネマティック感受率の測定システムを立ち上げ、S置換によりネマティック転移温度が抑制されるにつれて、ネマティック感受率が非常に増大することが明らかになった。この結果は、ネマティック量子臨界点でネマティック揺らぎが増大していることを直接示した結果である。
以上より、本研究は順調に進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

平成27年度の成果を受けて、FeSe系のBCS-BECクロスオーバーの物理学のさらなる発展を目指す。まず、プリフォームドペアの形成に伴う物性の変化を明らかにする。特に、状態密度の減少として現れる、いわゆる擬ギャップがあるかどうかについて、様々な物性測定により明らかにすることを目指す。この擬ギャップは、銅酸化物高温超伝導体の超伝導発現機構に深くかかわっている可能性が長く議論されているが、BCS-BECクロスオーバーと擬ギャップを明らかにできれば、その理解の一助になることが期待される。
また、この超伝導揺らぎのより直接的な観測を目指し、走査型SQUID顕微鏡の測定を行い、超伝導反磁性のミクロな分布に関する情報を得る。
さらに、FeSe/S系で存在が明らかになった、電子ネマティック秩序の量子臨界点について、超伝導に与える影響を調べる。特に、反強磁性量子臨界点で見られた超伝導電子有効質量の増大が、非磁性ネマティック量子臨界点でも見られるかどうかについて、磁場侵入長測定と精密比熱測定により明らかにする。さらに、S置換した系における量子振動測定を行い、電子構造が量子臨界点近傍でどのように変化するかを明らかにする。

備考

研究内容の紹介

研究成果

• [国際共同研究] Ecole Polytechnique/LNCMI-EMFL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Ecole Polytechnique/LNCMI-EMFL
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Karlsruhe Institute of Technology
• [国際共同研究] University of Oxford(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Oxford
• [雑誌論文] Nematic Magnetoelastic Effect Contrasted between Ba(Fe1-xCox)2As2 and FeSe (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hu, X. Ren, R. Zhang, H. Luo, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, P. Dai, Y. Zhang, Y. Matsuda, and Y. Li
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 060504(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.060504
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fermi Surface Reconstruction in FeSe under High Pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Terashima, N. Kikugawa, A. Kiswandhi, D. Graf, E.-S. Choi, J. S. Brooks, S. Kasahara, T. Watashige, Y. Matsuda, T. Shibauchi, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen, and S. Uji
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 094505
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.094505
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure-Induced Antiferromagnetic Transition and Phase Diagram in FeSe (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Terashima, N. Kikugawa, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, Y. Matsuda, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen, and S. Uji,
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 063701
  • DOI: 10.7566/JPSJ.84.063701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dichotomy between the Hole and Electrons Behavior in the Multiband FeSe Probed by Ultra High Magnetic Fields (2015)
  • 著者名/発表者名: M. D. Watson, T. Yamashita, S. Kasahara, W. Knafo, M. Nardone, J. Beard, F. Hardy, A. McCollam, A. Narayanan, S. F. Blake, T. Wolf, A. A. Haghighirad, C. Meingast, A. J. Schofield, H. von Lohneysen, Y. Matsuda, A. I. Coldea, and T. Shibauchi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 115 ページ: 027006
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.027006
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Critical Current Density, Vortex Dynamics, and Phase Diagram of Single-Crystal FeSe (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Sun, S. Pyon, T. Tamegai, R. Kobayashi, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 144509
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.144509
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Momentum-Dependent Sign Inversion of Orbital Order in Superconducting FeSe (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, T. Shimojima, T. Sonobe, A. Nakamura, M. Sakano, H. Tsuji, J. Omachi, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami, T. Watashige, R. Kobayashi, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Y. Yamakawa, H. Kontani, and K. Ishizaka
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 205117
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.205117
  • 査読あり
• [学会発表] はじめに 領域8シンポジウム「FeSeのエキゾチック超伝導」 (2016)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] FeSe純良単結晶における高圧下電気抵抗率測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松浦康平, 水上雄太, 下澤雅明, 松林和幸, 山下穣, 上床美也, 綿重達哉, 笠原成, J. P. Sun, G. Z. Ye, J. Q. Yan, J.-G. Cheng, 松田祐司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] FeSe純良単結晶における高圧下X線回折 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水上雄太, 松浦康平, 細井優, 綿重達哉, 笠原成, 前島尚行, 町田晃彦, 綿貫徹, 福田竜生, 松田祐司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 銅酸化物超伝導体におけるネマティック感受率測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石田浩祐, 細井優, 松浦康平, 水上雄太, 臼井友洋, 渡辺孝夫, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] BCS-BEC crossover physics in FeSe bulk superconductor (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: APS March meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore, MD, USA
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nematic quantum criticality in FeSe1-xSx revealed by elastoresistance measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hosoi, K. Matsuura, K. Ishida, Hao Wang, Y. Mizukami, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
  • 学会等名: APS March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore, MD, USA
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-18
  • 国際学会
• [学会発表] A shift of the phase diagram in BaFe2(As1-xPx)2 by controlled disorder (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizukami, K. Matsuua, M. Konczykowski, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
  • 学会等名: APS March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore, MD, USA
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-18
  • 国際学会
• [学会発表] FeSeにおけるネマティシティと超伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: CROSSroads第17回workshop「強相関電子系の凝縮状態」
  • 発表場所: いばらき量子ビーム研究センター
  • 年月日: 2016-01-18 – 2016-01-19
  • 招待講演
• [学会発表] 鉄系超伝導体におけるBCS-BECクロスオーバー (2015)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 物性研短期研究会「低次元電子系におけるエキシトニック相の新展開」
  • 発表場所: 東京大学物性研究所
  • 年月日: 2015-11-26 – 2015-11-28
  • 招待講演
• [学会発表] Recent developments in the physics of iron-based superconductivity (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: 14th International Union of Materials Research Societies-International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM 2015)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2015-10-25 – 2015-10-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 電子線照射により制御した不純物散乱の量子臨界点と超伝導相への影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 水上雄太, 松浦康平, M. Konczykowski, 綿重達哉, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 鉄系超伝導体Fe(Se, S)におけるネマティック感受率測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 細井優, 蔵田聡信, 河智史朗, 水上雄太, 綿重達哉, 笠原成, 徳永将史, 松田裕司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Effect of electron irradiation on the superconducting gap structure in iron pnictides (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizukami
  • 学会等名: ELECTRON CORRELATION IN NANOSTRUCTURES (ECN-2015)
  • 発表場所: Odessa, Ukraine
  • 年月日: 2015-09-02 – 2015-09-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exotic superconductivity in FeSe with small Fermi energy (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: Workshop on Strongly Correlated Electronic Systems - Novel Materials and Novel Theories
  • 発表場所: Trieste, Italy
  • 年月日: 2015-08-17 – 2015-08-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of electron irradiation on the superconducting gap structure in iron pnictides (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizukami
  • 学会等名: 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications (CMCEE 2015)
  • 発表場所: Vancouver, Canada
  • 年月日: 2015-06-14 – 2015-06-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BCS-BEC crossover physics in iron-based superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: Superstripes 2015 Conference on Quantum in Complex Matter: Superconductivity, Magnetism and Ferroelectricity
  • 発表場所: Ischia, Italy
  • 年月日: 2015-06-13 – 2015-06-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FeSe1-xSxにおける電子構造と超伝導 (2015)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会「多自由度と相関効果が生み出す超伝導の新潮流 ～BCSからBECまで～」
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所
  • 年月日: 2015-06-09 – 2015-06-10
  • 招待講演
• [学会発表] Pairing symmetry and quantum criticality in BaFe2(As,P)2 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: The 2015 Gordon Conference on Superconductivity
  • 発表場所: The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong
  • 年月日: 2015-05-24 – 2015-05-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exotic superconductivity of FeSe in the BCS-BEC crossover regime (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: International Workshop on Vortex Matter in Superconductors
  • 発表場所: El Escorial, Spain
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BCS-BEC crossover physics in iron-based superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: Oxford Symposium on Quantum Materials
  • 発表場所: University of Oxford, UK
  • 年月日: 2015-05-01 – 2015-05-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 量子凝縮相の物理科学
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/index.php?%E7%A0%94%E7%A9%B6%E5%86%85%E5%AE%B9