超低温測定によるf電子系化合物の量子臨界現象の研究

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K17743
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 杉井 かおり 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (40749404)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 低温物性 / 物性実験 / 重い電子系化合物 / 量子臨界点

研究実績の概要

本研究は、f電子系化合物の量子臨界点（QCP）近傍に現れる異常な電子構造を明らかにするとともに、超低温度に現れる相転移現象について解明することを目的とする。
f電子系化合物のひとつであるCeCoIn5は、c軸方向への磁場印加によって5 T付近に反強磁性秩序に起因するQCPが存在すると考えられてきたが、これまでに磁気秩序状態は発見されていなかった。そこで我々のグループは、前年度、数mKの超低温まで冷却できる核断熱冷凍機を用いてキャパシタンス法によりCeCoIn5の量子振動測定を行ったところ、20 mK程度に量子振動の振動数のとびを観測した。この量子振動の振動数のとびは、なんらかの磁気秩序に由来するものである可能性がある。本研究結果を国際誌において発表し、共同研究者が国際会議や国際ワークショップにおいて発表した。
本年度はさらに、CeCoIn5において反強磁性秩序相が存在するかどうかを明らかにするために超低温までのNMR測定を行った。その結果、反強磁性秩序形成に伴うスピン格子緩和時間の急激な減少などは観測されなかった。この原因として、反強磁性秩序のQベクトルが(1/2,1/2,1/2)方向である可能性や、試料の純良度の違いによって秩序温度が変化した可能性、印加磁場が高磁場過ぎた可能性などが考えられる。Qベクトルが(1/2,1/2,1/2)方向である場合、Coや特定のInサイトによるNMR測定では反強磁性モーメントの対称性によって反強磁性相は検出できない。この場合は、他の測定手法によって反強磁性相を観測する必要がある。

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

まず、CeCoIn5の量子振動測定の研究結果を査読付きの論文にまとめることができた。また、NMR測定では、反強磁性相の直接の観測はできなかった。理由として上述したようにいくつかの理由が考えられるが、まず、低磁場でのNMR測定と量子振動測定を行うことで原因を追究する予定である。また、Qベクトルが（1/2,1/2,1/2）の方向を向いている可能性も十分にあるため、今後は、熱膨張率測定などの他の測定手法によって反強磁性相の観測に挑戦する必要がある。

今後の研究の推進方策

CeCoIn5のab面内に磁場を印加したとき、Q-phaseと呼ばれる何らかの磁気秩序相が存在することが先行研究によって明らかにされている。しかし、Q-phaseが超低温であるために、どういう性質をもつものかはわかっていなかった。この磁性相について調べるために、ab面内に磁場を印加したときの量子振動測定を行う。まず、角度回転機構を核断熱冷凍機の試料空間に取り付け、試料を回転できるように改造する。そのためのピエゾローテータを購入済みである。前回と同様にキャパシタンス法によるドハースヴァンアルフェン振動を観測する。Q-phase近傍における有効質量や量子振動の振動数、振動振幅の温度変化を測定し、Q-phaseの性質を明らかにする。
また、これらの測定手法をYbRh2Si2などのf電子系化合物にも行うことで、磁場中に現れるQCPの性質を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

２０１６年度途中に国立大学改革強化推進補助金に採択され、さらに２０１７年度途中に研究所内経費によって研究費を得たため。

研究成果

• [雑誌論文] Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov superconductivity in the layered organic superconductor b”-(BEDT-TTF)4[(H3O)Ga(C2O4)3]C6H5NO2 (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Uji, Y. Iida, S. Sugiura, T. Isono, K. Sugii, N. Kikugawa, T. Terashima, S. Yasuzuka, H. Akutsu, Y. Nakazawa, D. Graf, P. Day
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 ページ: 144505
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.144505
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous suppression in the de Haas-van Alphen oscillations of CeCoIn5 at ultra-low temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Shishido, Shogo Yamada, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Youichi Yanase, Minoru Yamashita
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Split Fermi Surface of the Spin Orbit Coupled Metal Cd2Re2O7 Probed by de Haas-van Alphen Effect (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhito Matsubayashi, Kaori Sugii, Hishiro T. Hirose, Daigorou Hirai, Shiori Sugiura, Taichi Terachima, Shinya Uji, Zenji Hiroi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 ページ: 053702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.053702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum-disordered state of magnetic and electric dipoles in an organic Mott system (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Shimozawa, K. Hashimoto, A. Ueda, Y. Suzuki, K. Sugii, S. Yamada, Y. Imai, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, H. Mori, T. Sasaki, M. Yamashita
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 8 ページ: 1821
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01849-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermal Hall Effect in a Phonon-Glass Ba3CuSb2O9 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sugii, M. Shimozawa, D. Watanabe, Y. Suzuki, M. Halim, M. Kimata, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, M. Yamashita
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 118 ページ: 145902
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.145902
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diamagnetic Torque Signal and Temperature-Dependent Paramagnetism in Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tsuchiya, Takashi Mochiku, Shuichi Ooi, Kazuto Hirata, Kaori Sugii, Taichi Terashima, Shinya Uji
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 86 ページ: 114711
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.114711
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 格子振動による熱ホール効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 杉井かおり、山下穣
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 52 ページ: 783-792
• [学会発表] カイラル反強磁性体Mn3Geの磁場中熱輸送特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉井かおり,下澤雅明, 赤澤仁寿, 近藤潤, 冨田崇弘, A. A. Nugroho, 中辻知, 山下穣
  • 学会等名: 2018年日本物理学会年次大会
• [学会発表] Kitaevスピン液体における半整数量子熱ホール効果の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 馬斯嘯, 笠原裕一, 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • 学会等名: 2018年日本物理学会年次大会
• [学会発表] Anomalous Hall Effect in Topological Antiferromagnetic State in Mn3Sn (2018)
  • 著者名/発表者名: Kaori Sugii, Yusuke Imai, Masaaki Shimozawa, Muhammad Ikhlas, Naoki Kiyohara, Takahiro Tomita, Satoru Nakatsuji, Minoru Yamashita
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Anomalous magnetization of the chiral antiferromagnet Mn3Sn (2018)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Shimozawa, Kaori Sugii, Jun Kondo, Yoshitaka Suzuki, Minoru Yamashita, Taketomo Nakamura, Shingo Katsumoto, Yasuhiro Tada, Muhammad Ikhlas, Tomoya Higo, Takahiro Tomita, Satoru Nakatsuji, Marcin Konczykowski, Yuji Matsuda, Kiyotaka Mukasa, Kohei Matsuura, Yuta Mizukami, Takasada Shibauchi
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of half-integer thermal Hall conductance in a Kitaev quantum magnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Kasahara, Kaori Sugii, Takafumi Ohnishi, Masaaki Shimozawa, Minoru Yamashita, Nobuyuki Kurita, Hidekazu Tanaka, Joji Nasu, Yukitoshi Motome, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Anomalous Thermal Hall Effect in Mn3Sn (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sugii, Y. Imai, M. Shimozawa, M. Ikhlas, N. Kiyohara, T. Tomita, S. Nakatsuji, M. Yamashita
  • 学会等名: ISSP Workshop: Novel phenomena in quantum materials driven by multipoles and topology
  • 国際学会
• [学会発表] キラル反強磁性体CsCuCl3の熱輸送測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 赤澤仁寿, 土岐勇人, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 高阪勇輔, 秋光純, 井上克也, J. Zaccaro, I. Gautier-Luneau, D. Luneau
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] カイラル反強磁性体Mn3Snにおける表面状態の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 向笠清隆, 下澤雅明, 鈴木喜貴, 杉井かおり, 近藤潤, 山下穣, 多田靖啓, 中村壮智, 勝本信吾, Muhammad Ikhlas, 冨田崇弘, 肥後友也, 中辻知, Marcin Konczykowski, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 芝内孝禎
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] a-RuCl3のKitaevスピン液体状態におけるマヨラナカイラルエッジ電流 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大西隆史, 笠原裕一, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲二, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] カゴメ反強磁性体Ca-Kapellasiteの熱輸送測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 土岐勇人, 赤澤仁寿, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 小田研, 吉田紘行
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] パイロクロア酸化物超伝導体Cd2Re2O7のde Haas-van Alphen効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松林康仁, 杉井かおり, 平井大悟郎, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也, 広井善二
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] π電子 プロトン相関型Cat-TTF系における量子スピン液体状態と量子常誘電状 態の関係 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤潤, 下澤雅明, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 木俣基, 橋本顕一郎, 井口敏, 佐々木孝彦
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] dHvA measurements of CeCoIn5 at ultra-low temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Shishido, Shogo Yamada, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Youichi Yanase, Minoru Yamashita
  • 学会等名: SCES2017
  • 国際学会