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2016 年度 実績報告書

放射光X線共鳴非弾性散乱による強相関電子の動的電荷相関の研究

研究課題

研究課題/領域番号 16H04004
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

石井 賢司  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (40343933)

研究分担者 藤田 全基  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20303894)
筒井 健二  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (80291011)
水木 純一郎  関西学院大学, 理工学部, 教授 (90354977)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード物性実験 / 量子ビーム / 強相関電子系 / 光物性
研究実績の概要

本課題では、技術発展が著しい放射光X線共鳴非弾性散乱法(RIXS)を用い、銅酸化物を対象として、動的電荷相関の観測から、強相関電子の運動状態を支配する電子間クーロン相互作用の効果、さらに、より低エネルギーに現れるスピン揺らぎ・格子振動と結合した電荷ダイナミクスを明らかにする。軟X線から硬X線にわたる複数の吸収端を適切に使い分けることによって、広範囲に渡るエネルギー・運動量空間での動的電荷相関を観測する。ホールドープと電子ドープの類似点、相違点に着目しながら、(1) モット絶縁体が電荷ドープにより金属化する過程、(2) 電荷ドープされたところで起こる電荷秩序、(3) 電荷ダイナミクスと他自由度との結合、に焦点をあてた研究を展開する。
本年度は、上記の(1)として、酸素K吸収端のRIXSでLa2-x(Ba,Sr)xCuO4の電荷励起の測定を行った。その結果、電荷移動ギャップよりも低エネルギー側にドープされたホールの運動に対応する電荷励起が観測され、その運動量依存性、ホール濃度依存性を調べることで、電荷ドープされたモット絶縁体における電荷ダイナミクスの特徴を明らかにすることができた。
一般に開放されているビームラインをそのまま利用する酸素K吸収端RIXSに対し、銅K吸収端RIXSについては本課題で高度化を行っていく。高エネルギー分解能化に向けて必要な光学素子やそれを制御するためのステージ等を購入し、次年度以降、ビームラインへ導入できる状況となった。

現在までの達成度 (区分)
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

La2-x(Ba,Sr)xCuO4での酸素K吸収端RIXS実験で観測された励起が、理論研究と組み合わせることで電荷励起と同定することができた。これは、銅酸化物の低エネルギー(1 eV以下)電荷励起を運動量依存性まで含めて観測することに初めて成功した結果であり、当初から期待していた通り、酸素K吸収端RIXSが電荷励起の観測方法として極めて有効であることを実証することができた。現在、この成果は論文にまとめて投稿中である。
銅K吸収端の高エネルギー分解能化のための準備も順調に進んでおり、平成29年度にテスト実験を行える状況となっている。

今後の研究の推進方策

電荷秩序やスピン・格子振動励起は温度により特徴的な変化をすると考えられるので、概要の項に記した(2)、(3)を議論する上で、電荷励起の温度依存性の測定が重要になる。ホールドープ系のLa2-x(Ba,Sr)xCuO4については、その点に着目して酸素K吸収端RIXSの実験を行う。電荷とスピンの結合は強相関電子系としての特徴と言えるが、スピン励起の温度依存性の測定は中性子非弾性散乱でいくらか行われているものの、系統的な測定には至っていない。エネルギー分解能では劣るものの、大型単結晶を必要とせず、短時間でスピン励起が観測可能な銅L3吸収端RIXSを利用してホールドープ系のスピン励起の温度依存性の測定も目指す。
ドープされた電荷が主に酸素軌道を占有するホールドープ系に対し、電子ドープ系では銅軌道に電荷がドープされるので、電子ドープ系では銅の吸収端でのRIXSが電荷励起の観測には有効である。銅L3吸収端RIXSでは、電荷励起とスピン励起が同時に観測できる。ホールドープ系と同様に電荷とスピンの結合に注目して、温度依存性の測定を行う。電子ドープ系銅酸化物では、超伝導発現のためには結晶作成後の還元アニール処理が必要であることが知られており、このアニール処理がスピン・電荷励起にどのような影響を与えるかはまだ明らかにされておらず、その点にも注目する。
銅K吸収端RIXSについては、購入した光学素子、機器を用いてエネルギー分解能の評価実験を行い、実試料への測定へと順次進めていく。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 4件、 招待講演 8件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Incident-energy-dependent spectral weight of resonant inelastic x-ray scattering in doped cuprates2016

    • 著者名/発表者名
      Kenji Tsutsui, Takami Tohyama
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 94 ページ: 085144-1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.94.085144

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 銅酸化物高温超伝 導体のスピンダイナミクス ―エネルギー階層的磁気励起構造の理解を目指して―2016

    • 著者名/発表者名
      藤田 全基,佐藤 研太朗
    • 雑誌名

      RADIOISOTOPES

      巻: 65 ページ: 469-479

    • DOI

      10.3769/radioisotopes.65.469

    • 査読あり
  • [学会発表] 共鳴非弾性X線散乱による電荷・スピン励起2017

    • 著者名/発表者名
      石井賢司
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] Cu K端EXAFS解析によるT’構造銅酸化物超伝導体の局所構造の研究2017

    • 著者名/発表者名
      浅野駿, 鈴木謙介, 松村大樹, 伊奈稔哲, 石井賢司, 藤田全基
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] T’構造構造銅酸化物RE2CuO4 (RE = Pr, Nd)における還元アニールによる局所構造変化2017

    • 著者名/発表者名
      鈴木 謙介, 池田 一貴, 大友 季哉, 藤田 全基
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] T'型銅酸化物超伝導体母物質Nd2CuO4+δの還元過程におけるアニール温度依存性2017

    • 著者名/発表者名
      御手洗 誠, 坂倉 輝俊, 木村 宏之, 浅野 駿, 藤田 全基, 岸本 俊二
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体における銅L端RIXSのクラスター計算2017

    • 著者名/発表者名
      筒井健二, 遠山貴巳
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 酸素K吸収端RIXSによるホールドープ型銅酸化物超伝導体の電荷励起と電荷秩序の観測2017

    • 著者名/発表者名
      石井賢司, 遠山貴巳, 浅野駿, 佐藤研太朗, 藤田全基, 脇本秀一, 宮脇淳, 丹羽秀治, 原田慈久
    • 学会等名
      東京大学物性研究所ワークショップ「SPring-8 BL07LSUが照らしだす物質機能の起源」
    • 発表場所
      東京大学(千葉県柏市)
    • 年月日
      2017-03-08
  • [学会発表] 銅酸化物の共鳴非弾性X線散乱の理論的研究2017

    • 著者名/発表者名
      筒井健二
    • 学会等名
      ポスト「京」重点課題 (7)「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成」 サブ課題G 第5回「共通基盤シミュレーション手法」連続研究会
    • 発表場所
      東京理科大学(東京都葛飾区)
    • 年月日
      2017-02-23
    • 招待講演
  • [学会発表] 銅酸化物の共鳴非弾性X線散乱の実験的研究2017

    • 著者名/発表者名
      石井賢司
    • 学会等名
      ポスト「京」重点課題 (7)「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成」 サブ課題G 第5回「共通基盤シミュレーション手法」連続研究会「低次元量子相のスペクトロスコピー ~計算と実験の協奏~」
    • 発表場所
      東京理科大学(東京都葛飾区)
    • 年月日
      2017-02-23
    • 招待講演
  • [学会発表] 銅酸化物高温超伝導物質の共鳴非弾性X線散乱に対する数値シミュレーション2016

    • 著者名/発表者名
      筒井健二
    • 学会等名
      光・量子ビーム科学合同シンポジウム2016
    • 発表場所
      千里ライフサイエンスセンター(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2016-11-24
  • [学会発表] Inelastic X-ray scattering applied to materials science2016

    • 著者名/発表者名
      Jun'ichiro Mizuki
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Materials and Nanotechnology 2016
    • 発表場所
      ハノイ(ベトナム)
    • 年月日
      2016-11-03 – 2016-11-05
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 共鳴非弾性X線散乱の進展と銅酸化物超伝導体への応用2016

    • 著者名/発表者名
      石井賢司
    • 学会等名
      第57回高圧討論会
    • 発表場所
      筑波大学(茨城県つくば市)
    • 年月日
      2016-10-26 – 2016-10-29
    • 招待講演
  • [学会発表] 放射光共鳴非弾性X線散乱によるスピン・電荷励起2016

    • 著者名/発表者名
      石井賢司
    • 学会等名
      東京大学物性研究所ワークショップ「磁性・強相関電子系分野の中性子散乱研究の新展開 ~JRR3再稼働を見据えて~」
    • 発表場所
      東京大学(千葉県柏市)
    • 年月日
      2016-10-07 – 2016-10-08
    • 招待講演
  • [学会発表] アニールしたT'構造銅酸化物Pr1.4La0.6CuO4の磁気励起スペクトル2016

    • 著者名/発表者名
      浅野 駿, 鈴木 謙介, 梶本 亮一, 池内 和彦, 藤田 全基
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] 銅酸化物高温超伝導物質における銅L端RIXSの入射エネルギー依存性2016

    • 著者名/発表者名
      筒井健二, 遠山貴巳
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] クラスター計算に基づく銅酸化物高温超伝導体の銅L端共鳴非弾性X線散乱スペクトル2016

    • 著者名/発表者名
      筒井健二
    • 学会等名
      理論研究会サテライトミーティング「放射光と計算物質科学の連携を目指して」
    • 発表場所
      関西学院大学(兵庫県三田市)
    • 年月日
      2016-08-29
    • 招待講演
  • [学会発表] Dispersive charge excitations in hole-doped ladder cuprates2016

    • 著者名/発表者名
      Kenji Ishii
    • 学会等名
      Workshop on Resonant Inelastic and Elastic X-Ray Scattering 2016
    • 発表場所
      IFW Dresden (Dresden, Germany)
    • 年月日
      2016-06-30 – 2016-07-01
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Momentum-resolved charge fluctuations proximate to the charge-order phase measured by resonant inelastic x-ray scattering2016

    • 著者名/発表者名
      K. Ishii, M. Yoshida, M. Naka, S. Ishihara, I. Jarrige, K. Ikeuchi, Y. Murakami, K. Kudo, Y. Koike, T. Nagata, Y. Fukada, N. Ikeda, J. Mizuki
    • 学会等名
      International Conference on Low-Energy Electrodynamics in Solids, 2016
    • 発表場所
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • 年月日
      2016-05-29 – 2016-06-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Electron-doping effect on the Spin Excitation Spectrum in Pr1.4-xLa0. 6CexCuO4+δ2016

    • 著者名/発表者名
      S. Asano, M. Fujita, K. Sato
    • 学会等名
      Summit of Materials Science
    • 発表場所
      東北大学(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2016-05-18 – 2016-05-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Resonant inelastic x-ray scattering studies of spin and charge excitations in transition metal oxides2016

    • 著者名/発表者名
      石井賢司
    • 学会等名
      ポスト「京」重点課題 (7)「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料 の創成」サブ課題G 第4回「共通基盤シミュレーション手法」連続研究会
    • 発表場所
      東京理科大学(東京都葛飾区)
    • 年月日
      2016-05-07
    • 招待講演
  • [図書] Resonant X-Ray Scattering in Correlated Systems2017

    • 著者名/発表者名
      Sumio Ishihara, Hironori Nakao, Takeshi Matsumura, Taka-hisa Arima, Hiroki Wadati, Kenji Ishii
    • 総ページ数
      241
    • 出版者
      Springer

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公開日: 2018-01-16  

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