直流電場・電流：強相関電子系の新しい制御パラメータ

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06136
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 前野 悦輝 京都大学, 理学研究科, 教授 (80181600)
• 研究分担者: 中村 文彦 久留米工業大学, 工学部, 教授 (40231477) ; 寺崎 一郎 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30227508) ; 菊川 直樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主幹研究員 (00442731) ; 吉田 鉄平 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (10376600) ; 岡崎 竜二 東京理科大学, 理工学部物理学科, 准教授 (50599602) ; 鈴木 孝至 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (00192617)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: 非平衡定常状態 / NESS / ルテニウム酸化物 / モット絶縁体 / 熱電現象 / 赤外線サーモグラフィー

研究実績の概要

主に定常電流による非平衡定常状態（NESS）での新奇現象の発現と機構理解に向けた研究を進め、発熱効果に伴う技術的課題の克服も進めた。
【1】 4ｄ電子系ルテニウム酸化物 Ca2RuO4の電流効果： 赤外線カメラでの温度測定の下、電流パルス実験から、非線型伝導には定常的エネルギー散逸が必須であることを明らかにした。また、サーマルイメージング動画による絶縁体・金属転移の微細分域構造の顕微観察結果も論文公表し、局所過熱効果の重要性を定量化した。さらに、電流下での構造変化の基礎知見となる弾性定数の温度変化をX線非弾性散乱から明らかにし、反強磁性転移との関連を見出した。この他、角度分解光電子分光による酸素過剰系での電子状態解明、電気二重層トランジスタ構造での電場誘起現象の研究も進めた。
【2】 電流の下での物性測定技術：赤外線サーモグラフィーによる温度測定法を標準技術とすべく、実証成果を複数論文で発表した。一方、赤外線カメラが有効でない低温では、試料に直付けした小さな抵抗温度計による測定温度信頼性を高める開発研究も進めた。特に重要な結果として、定常電流下で反磁性にみえた信号の原因が、実は試料ホルダーの局所過熱によるバックグラウンド磁化の変化によることを定量的に解明して論文発表した。
【3】 関連酸化物での非平衡定常現象： 電流誘起効果の対象としてCa3Ru2O7での磁気秩序テクスチャー、コバルト酸化物での導電性変化、また、超伝導相の異方性の電流制御の研究を進めた。
令和2年度に久留米工業大学で開催予定のNESS2020は、COVID-19との関係で実現しなかった。それを補うため、各グループの研究進展状況の情報交換や、共同研究の打ち合わせは随時、電子メール等で行っている。PD2名の雇用を国際公募と面接を経て決定したが、COVID-19の下、2020年1月に予定の来日はまだ実現していない。

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

◆研究の重要性が増した点：定常電流で誘起される量子現象の研究が広がりを見せている。例としてトロイダルモーメントの磁気秩序系での電流誘起磁化測定や、ラシュバ効果の強い半導体での非相反輸送現象などの研究が注目されている。しかし、ジュール過熱の影響が十分に考慮されていない場合もあり、本研究の役割の重要性が増している。ジュール発熱の下で電流効果を発熱効果と明確に分離するための測定プロトコルの確立を順調に進めている。特に、試料ホルダーの局所過熱による磁化測定への影響を取り去った測定にも成功し、日本物理学会・アメリカ物理学会で発表した。
◆順調に進展している部分:赤外線サーモグラフィーによる温度測定を基に、顕微サーマルイメージング動画やレーザー変位計も導入して、非平衡定常状態(NESS)での非線形導電性や熱電効果、格子変形、相分離観測などの研究を順調に進めている。国際共同研究からの成果もあがっており、アメリカ物理学会でも複数の講演を行った。また、電場印加のもとでの光電子分光による電子状態の観測には、試料中の化学ポテンシャルの勾配を避ける局所測定が必要で、最近大いに発展したマイクロ・プローブの光電子分光技術とニーズが一致して、研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

2021（R3）年度は最終年度に当たり、研究テーマを絞り込んで成果をまとめるとともに、今後の展開に向けた指針を示す。
【1】 4d電子系ルテニウム酸化物 Ca2RuO4の電流誘起効果： 非線形伝導、熱電効果、格子変形効果、局所分域構造イメージング、マイクロ光電子分光などの研究成果をまとめる。特に、ペルチェ係数の異常な増加、レーザー変位計を用いた熱膨張の過渡現象などについて、機構の理解を深める。また、電気二重層トランジスタ構造での電場誘起現象を明らかにする。
【2】 電流の下での物性測定技術： 通電による発熱の下での磁化測定プロトコルを確立し、ルテニウム酸化物に対する磁化や磁気転移温度に対する電流効果について、確度の高い測定結果を獲得する。また、電気抵抗測定についても、高抵抗試料に対する低温までの測定技術を確立する。
【3】 関連酸化物での非平衡定常現象：関連の酸化物、トポロジカル物質、また超伝導体における定常電流下での非平衡効果についても研究を進める。特に、ルテニウム酸化物の超伝導状態について、上部臨界磁場の精密測定から、電流誘起の異方性効果や超伝導対称性の変化の有無を明らかにする。
5月頃に分担者を中心にオンラインでの戦略研究会を開催し、最終年度の研究方針を確認する。プロジェクトのまとめとして京都大学で開催予定の公開国際会議NESS2022については、COVID-19との関係で開催時期・方法の決定を慎重に行う。京都大学、久留米工業大学、東京理科大学で研究者を雇用する。

研究成果

• [国際共同研究] Columbia Univ./Univ, Illinois, Urbana-Champaign/Stony Brook Univ.(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Columbia Univ./Univ, Illinois, Urbana-Champaign/Stony Brook Univ.
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] TU Dresden/MPI Dresden/IFW Dresden(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: TU Dresden/MPI Dresden/IFW Dresden
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] Univ. St. Andrews(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Univ. St. Andrews
• [国際共同研究] POSTECH/Seoul National Univ.(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: POSTECH/Seoul National Univ.
• [国際共同研究] Univ. of Salerno(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Univ. of Salerno
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 3
• [雑誌論文] Emergence of low-energy electronic states in oxygen-controlledMott insulator Ca2RuO4+δ (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeo Miyashita, Hideaki Iwasawa, Tomoki Yoshikawa, Shusuke Ozawa, Hironoshin Oda, Takayuki Muro, Hiroki Ogura, Tatsuhiro Sakami, Fumihiko Nakamura, Akihiro Ino
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 326 ページ: 114180-1-7
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2020.114180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crossover from itinerant to localized states in the thermoelectric oxide [Ca2CoO3]0.62[CoO2] (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Sakabayashi and R. Okazaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 125119-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.125119
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room Temperature Thermoelectric Properties of Isostructural Selenides Ta2PdS6 and Ta2PdSe6 (2021)
  • 著者名/発表者名: Akitoshi Nakano, Urara Maruoka, Fumiaki Kato, Hiroki Taniguchi, and Ichiro Terasaki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 033702-1-3
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.033702
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Effects of Spin-orbit Interaction on the Acoustic Phonons in the Mott Insulator Ca2RuO4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Uchiyama, Ichiro Terasaki
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA 利用研究成果集 巻: 9 ページ: 32-35
  • DOI: 10.18957/rr.9.1.32
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of local temperature in the current-driven metal?insulator transition of Ca2RuO4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Giordano Mattoni, Shingo Yonezawa, Fumihiko Nakamura, and Yoshiteru Maeno
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 114414-1-14
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.114414
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-equilibrium Steady State in the Mott Insulator Ca2RuO4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Terasaki, Isuzu Sano, Kosuke Toda, Shuji Kawasaki, Akitoshi Nakano, Hiroki Taniguchi, Hai Jun Cho, Hiromichi Ohta, and Fumihiko Nakamura
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 093707-1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.093707
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diamagnetic-like response from localized heating of a paramagnetic material (2020)
  • 著者名/発表者名: Giordano Mattoni, Shingo Yonezawa, and Yoshiteru Maeno
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 172405-1-5
  • DOI: 10.1063/5.0006098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of metal to nonmagnetic insulator transition in polycrystalline RuP by photoemission spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Daiki Ootsuki, Kei Sawada, Hiroki Goto, Daigorou Hirai, Daisuke Shibata, Masato Kawamoto, Akira Yasui, Eiji Ikenaga, Masashi Arita, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Tatsuya Toriyama, Takehisa Konishi, Yukinori Ohta, Naurang L. Saini, Teppei Yoshida, Takashi Mizokawa, and Hidenori Takagi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 165113-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.165113
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Nonlinear conduction detected by the harmonic measurement in an organic molecular conductor α-(BEDT-TTF)2I3 (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ishii, R. Okazaki, M. Tamura
  • 学会等名: APS March Meeting 2021, 2021年3月15-19日, [オンライン]
  • 国際学会
• [学会発表] In-plane Anisotropy of Thermoelectric Transport Properties in the Layered Cobaltite [Ca2CoO3]0.62CoO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Sakabayashi, H. Utagawa, R. Okazaki
  • 学会等名: The 5th Asian Conference on Thermoelectrics (ACT5) & The 6th Southeast Asia Conference on Thermoelectrics (SACT6), 2020年12月17日, [オンライン]
  • 国際学会
• [学会発表] モット絶縁体Ca2RuO4の非線形伝導下の熱電効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 寺崎一郎, 岡崎竜二, 中村文彦
  • 学会等名: 第17回日本熱電学会学術講演会（TSJ2020）, 2020年9月28-30日, [オンライン]
• [学会発表] 電気二重層トランジスタをもちいた モット絶縁体 Ca2RuO4 の 電場効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 酒見龍裕 , 大内拓 , 小倉弘幹, 井野明洋 , 野島勉 , 中村文彦
  • 学会等名: 第126回日本物理学会九州支部例会, 2020年12月5日, [オンライン]
• [学会発表] モット絶縁体Ca2RuO4の抵抗の温度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小倉弘幹, 橋口浩明, 酒見龍裕, 井野明洋, 中村文彦
  • 学会等名: 第126回日本物理学会九州支部例会, 2020年12月5日, [オンライン]
• [学会発表] Observation of Non linear Conductivity Phenomena by Synchrotron X ray Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Ootsuki
  • 学会等名: NCTU(National Chiao Tung University)-KU(Kyoto University) workshop, 2020年9月24日, [オンライン]
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fiber Bragg gratingによるSrxBi2Se3の超伝導転移温度近傍での多軸熱膨張測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷口諒, 米澤進吾, Zhiwei Wang, 安藤陽一, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] ラインノード物質CaSb2の超伝導の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口真世, 池田敦俊, 鯉渕駿, 小畑慶人, 米澤進吾, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] ラインノード物質CaSb2の圧力下電気抵抗測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北川俊作, 石田憲二, 川口真世, 池田敦俊, 米澤進吾, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] Ca2RuO4における高次高調波の温度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 内田健人, Giordano Mattoni, 成田秀樹, 米澤進吾, 中村文彦, 前野悦輝, 田中耕一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] 層状ルテニウム酸化物素子における金属-絶縁体転移 (2020)
  • 著者名/発表者名: 成田秀樹, 米澤進吾, 三宅亮, 大谷義近, 菊川直樹, 中村文彦, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] Sr2RuO4の上部臨界磁場近傍における超伝導状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金城克樹, 真砂全宏, 北川俊作, 石田憲二, Zhiqiang Mao, 米澤進吾, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] 面内磁場・電流下でのSr2RuO4の上部臨界磁場の異方性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒木遼, 三好拓人, 諏訪春輝, 米澤進吾, Esteban Ignacio Paredes Aulestia, King Yau Yip, Kwing To Lai, Swee Kuan Goh, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] 酸素量制御したルテニウム酸化物Ca2RuO4+δの軟X線角度分解光電子分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宮下剛夫, 岩澤英明, 吉川智己, 小澤秀介, 尾田拓之進, 室隆桂之, 小倉弘幹, 酒見龍裕, 中村文彦, 井野明洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] カゴメ格子磁性体Tb3Ru4Al12の磁場中弾性率と結晶場効果II (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井勲, 水野拓陽, 梅野寛大, 鈴木大地, 蔵田湧紀, 和田侑樹, A. V. Andreev, D. I. Gorbunov, M. S. Henriques, 鈴木孝至
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会, 2020年9月8-11日, 14-17日, [オンライン]
• [学会発表] Observation of Non linear Conductivity Phenomena by Synchrotron X ray Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Ootsuki
  • 学会等名: Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment 2020 (LSC2020), 2020年4月, [オンライン]
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 常磁性体の局所過熱による反磁性に似た応答 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前野悦輝, Giordano Mattoni, 米澤進吾, 中村文彦
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] 面内磁場・電流下でのSr2RuO4の上部臨界磁場異方性の温度変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒木遼, 三好拓人, 諏訪春輝, 米澤進吾, Esteban Ignacio Paredes Aulestia, King Yau Yip, Kwing To Lai, Swee Kuan Goh, 前野悦輝
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] Development of an All Fiber Magneto-Optical Kerr Effect setup towards detection of chiral superconductivity (2020)
  • 著者名/発表者名: Yajian Hu, Giordano Mattoni, Kanae Yada, Kiyosue Toshiki, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] ハーマン法を応用したCa2RuO4のペルチェ係数測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐野五十鈴, 中村文彦, 中埜彰俊, 谷口博基, 寺崎一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] レーザー変位計を用いたCa2RuO4の膨張係数測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森本大輔, 中村文彦, 中埜彰俊, 谷口博基, 寺崎一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] 電気二重層トランジスタをもちいたCa2RuO4の金属化と印加電圧特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 酒見龍裕, 大内拓, 小倉弘幹, 橋口浩明, 井野明洋, 野島勉, 中村文彦
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] Mott絶縁体Ca2RuO4の低温状態での微小電流による高抵抗測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小倉弘幹, 橋口浩明, 酒見龍裕, 井野明洋, 中村文彦
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] スピンギャップ系Ru酸化物Ba3CaRu2O9における非磁性元素置換効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西原大貴, 木村晃典, 中埜彰俊, 谷口博基, 寺崎一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] スピン液体候補物質Ba3ZnRu2O9における非磁性元素置換による強磁性の発現 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村晃典, 安井幸夫, 中埜彰俊, 谷口博基, 寺崎一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] 層状遷移金属カルコゲナイドTa2PdSe6の巨大電力因子 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中埜彰俊, 丸岡うらら, 谷口博基, 寺崎一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] 新規熱電半金属Ta2PdSe6のS置換効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 丸岡うらら, 中埜彰俊, 谷口博基, 寺崎一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [学会発表] 熱力学量からみたSr2RuO4の上部臨界磁場近傍の超伝導状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 河野洋平, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, 菊川直樹, 寺嶋太一, 宇治進也, Dmitry Sokolov, 町田一成
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会, 2020年3月16-19日, [現地開催中止]
• [備考] 科学研究費補助金 基盤研究S「直流電場・電流：強相関電子系の新しい制御パラメータ」
  • URL: https://ss.scphys.kyoto-u.ac.jp/kibanS_h29-33/index.html
• [備考] 科学研究費補助金 基盤研究S「直流電場・電流：強相関電子系の新しい制御パラメータ」（英語版)
  • URL: http://www.ss.scphys.kyoto-u.ac.jp/kibanS_h29-33/en/index.html
• [産業財産権] ルテニウム酸化物単結晶の製造方法及び製造装置 (2020)
  • 発明者名: 菊川直樹，長澤享(キヤノンマシナリー )
  • 権利者名: 菊川直樹，長澤享(キヤノンマシナリー )
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-182989