高速抵抗測定でプローブする遍歴電子系の超強磁場物性

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20892
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小濱 芳允 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90447524)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• キーワード: 超強磁場 / 磁気抵抗 / 超伝導 / トポロジカル物性

研究実績の概要

本研究『高速抵抗測定でプローブする遍歴電子系の超強磁場物性』は、銅系超伝導体で期待されるFFLO相やディラック・ワイル電子系の超強磁場物性等の探索的研究を行う。これにより、１００テスラ以上の超強磁場領域でおこる新奇現象を解明もしくは発見し、『超強磁場領域での遍歴電子系科学』の基盤となることを目指している。また本研究の波及効果は遍歴電子系の物性研究に留まらない。例えば量子スピン系の分野では、『フィルム温度計の応用による超強磁場領域の磁気熱量効果測定』が考えられ、これは超強磁場領域で起こる磁気相転移の検出に用いることができる。
この挑戦的な本課題を進めるためには、技術的な発展および開発が必須である。このため本研究では『直接的磁気抵抗測定手法』および『RFインピーダンス測定手法』の高精度化を進めている。また様々な温度域での探索的研究を行うために、クライオスタットの整備も必須である。本研究の枠組み内での測定対象物質は、超伝導体やトポロジカル電子系化合物であるが、これらのサンプル群では、薄膜サンプルであればほぼ問題なく測定ができている。しかしバルクサンプルでは渦電流による発熱が問題となることが明らかになっている。このため、バルクより小さなメゾスコピック系のサンプルを調整するために、FIBを軸とした微細加工技術の錬磨も進めなければならない。
本申請では、以上のような幾つかの技術的開発を並列に進めていく。既にシングルターンコイルという超強磁場発生装置を使い、２００テスラまでの研究を進めているが、将来的には電磁濃縮装置を用いて、１０００テスラ領域での磁気抵抗測定を成功させたい。この準備段階として、幾つかのサンプルについて２００テスラまでの実験を幾つかのサンプルで遂行させ、技術的な向上と超強磁場領域での研究の土台作りを進めていく。

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

２０２０年度は提案者により開発された『直接的磁気抵抗測定手法』および『RFインピーダンス測定手法』を改良した。そしてシングルターンコイルという超強磁場発生装置で２００テスラまでの研究を進めた。これにより、鉄系超伝導体とグラファイトを中心に３件の研究を成功させ、本申請が達成可能であることを実験的に確認できた。これらの結果は、装置開発手法の論文と合わせて４件が論文調整中であり、おおむね順調に進展しているといえよう。一方、銅系超伝導体における磁気抵抗測定は、試料をFIB加工するところで失敗している。これはサンプルが非常に割れやすいためであり、そもそも対象サンプルを微細加工するのにＦＩＢ技術は向いていないかもしれない。微細加工サンプルの作製は職人技であり、更なる経験を積むことで、技術的な解決を狙っていく。
また開発した測定手法を応用することで、多岐に渡るサンプルで強磁場領域での物性測定が進んだ。例えばグラファイトの強磁場相の研究では、相転移のユニバーサルクラスを決定できた。この研究はPhys. Rev. Lett.のEditor's suggestionに選ばれた。他にも電気抵抗測定技術を基本とする測定手法は、幾つかの伝導系サンプルにおける量子振動に寄与した。例えば高温超伝導体における成果は、Science誌に発表された。量子振動測定技術を応用した研究は広く進んでおり、将来的に更なる成果が期待できる。

今後の研究の推進方策

２０２１年度は、グラファイトにおける電磁濃縮法を用いた磁気抵抗測定を計画している。このために、特殊クライオスタットの開発、電気抵抗測定手法の更なる改良が進んでおり、２０２１年度前半に５００Tまでの実験を行える。この実験によりグラファイトについての研究は終了するが、新たにビスマスなどの代表的な半金属についての研究を進める予定である。既に幾つかの実験データがたまっており、これらの解析および補完的な実験を進めることで、論文発表を目指す。
銅酸化物超伝導体における磁気抵抗測定では、ＦＩＢ加工による試料にクラックが入ることが問題であった。２０２１年度はFIB加工を何回か行い、加工におけるパラメータを詳細に変化させることで、クラックが入らない条件を探し出す。それでも試料のクラックが問題となる場合は、ウィスカー単結晶が入手できる別の銅系高温超伝導体で研究を進める。ウィスカー単結晶は非常に小さいため、そもそも渦電流の効果が少なくFIB加工が必要ない。この単結晶サンプルでの研究により、銅酸化物超伝導体の強磁場相についての研究が完了すると思われる。
また既に磁気熱量効果のテスト測定を１０５テスラまで行っており、この手法が超強磁場領域で測定可能であることが判っている。磁場中でのトルクへの対応など、幾つかの課題が存在するものの、サンプル固定法の変更により、これらを解決したい。そして、超強磁場領域における磁気熱量効果測定の確立も目指す。
これらの研究細目を遂行することで、『超強磁場領域での遍歴電子系科学』の土台を築いていく。

研究成果

• [国際共同研究] WHMFC/Zhejiang University/State Key Laboratory(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: WHMFC/Zhejiang University/State Key Laboratory
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Los Alamos National Laboratory/NHMFL/Virginia Tech(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Los Alamos National Laboratory/NHMFL/Virginia Tech
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Institute for Basic Science/Seoul National University/Pohang University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Institute for Basic Science/Seoul National University/Pohang University
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] CEA grenoble/LNCMI-EMFL/College de France(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CEA grenoble/LNCMI-EMFL/College de France
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] HLD-EMFL/Max-Plank-Institut/Technische Universitat Berlin(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: HLD-EMFL/Max-Plank-Institut/Technische Universitat Berlin
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Compact megajoule-class pulsed power supply for generating long-pulsed magnetic fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsui Kazuki、Kanda Tomoki、Ihara Yoshihiko、Kindo Koichi、Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 024711～024711
  • DOI: 10.1063/5.0032895
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Higher magnetic-field generation by a mass-loaded single-turn coil (2021)
  • 著者名/発表者名: Gen M.、Ikeda A.、Kawachi S.、Shitaokoshi T.、Matsuda Y. H.、Kohama Y.、Nomura T.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 033902～033902
  • DOI: 10.1063/5.0038732
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wide Critical Fluctuations of the Field-Induced Phase Transition in Graphite (2021)
  • 著者名/発表者名: Marcenat Christophe、Klein Thierry、LeBoeuf David、Jaoui Alexandre、Seyfarth Gabriel、Kacmarcik Jozef、Kohama Yoshimitsu、Cercellier Herve、Aubin Herve、Behnia Kamran、Fauque Benoit
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 ページ: 106801-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.106801
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-field phase diagram of Ni3V2O8 studied by specific heat and magnetocaloric effect measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Dong C、Kohama Y、He Z Z、Han X T、Sato K、Matsuo A、Kindo K、Yang M、Wang J F
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 33 ページ: 205402～205402
  • DOI: 10.1088/1361-648x/abe515
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-resolution calorimetry in pulsed magnetic fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Imajo Shusaku、Dong Chao、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 043901～043901
  • DOI: 10.1063/5.0040655
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of Frustrated Short-Range Order above Long-Range Order in the S = 1/2 Kagome Antiferromagnet CaCu3(OD)6Cl2?0.6D2O (2021)
  • 著者名/発表者名: Ihara Yoshihiko、Matsui Kazuki、Kohama Yoshimitsu、Luther Sven、Opherden Daryna、Wosnitza Jochen、K?hne Hannes、Yoshida Hiroyuki K.
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 023703-1～-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.023703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental measurements of effective mass in near-surface InAs quantum wells (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuan Joseph、Hatefipour Mehdi、Magill Brenden A.、Mayer William、Dartiailh Matthieu C.、Sardashti Kasra、Wickramasinghe Kaushini S.、Khodaparast Giti A.、Matsuda Yasuhiro H.、Kohama Yoshimitsu、Yang Zhuo、Thapa Sunil、Stanton Christopher J.、Shabani Javad
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 205310-1～-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.205310
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of in-plane magnetic field induced phase transitions in FeSe (2020)
  • 著者名/発表者名: Ok Jong Mok、Kwon Chang Il、Kohama Yoshimitsu、You Jung Sang、Park Sun Kyu、Kim Ji-hye、Jo Y. J.、Choi E. S.、Kindo Koichi、Kang Woun、Kim Ki-Seok、Moon E. G.、Gurevich A.、Kim Jun Sung
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 224509-1～-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.224509
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic band structure of (111) SrRuO3 thin films: An angle-resolved photoemission spectroscopy study (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryu Hanyoung、Ishida Yukiaki、Kim Bongju、Kim Jeong Rae、Kim Woo Jin、Kohama Yoshimitsu、Imajo Shusaku、Yang Zhuo、Kyung Wonshik、Hahn Sungsoo、Sohn Byungmin、Song Inkyung、Kim Minsoo、Huh Soonsang、Jung Jongkeun、Kim Donghan、Noh Tae Won、Das Saikat、Kim Changyoung
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 041102-1～-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.041102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strain engineering of the magnetic multipole moments and anomalous Hall effect in pyrochlore iridate thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Woo Jin、Oh Taekoo、Song Jeongkeun、Ko Eun Kyo、Li Yangyang、Mun Junsik、Kim Bongju、Son Jaeseok、Yang Zhuo、Kohama Yoshimitsu、Kim Miyoung、Yang Bohm-Jung、Noh Tae Won
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 ページ: 1539-1～-7
  • DOI: 10.1126/sciadv.abb1539
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of small Fermi pockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor (2020)
  • 著者名/発表者名: Kunisada So、Isono Shunsuke、Kohama Yoshimitsu、Sakai Shiro、Bareille C?dric、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Kurokawa Kifu、Kuroda Kenta、Ishida Yukiaki、Adachi Shintaro、Sekine Ryotaro、Kim Timur K.、Cacho Cephise、Shin Shik、Tohyama Takami、Tokiwa Kazuyasu、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Science 巻: 369 ページ: 833～838
  • DOI: 10.1126/science.aay7311
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry Lowering on the Field-Induced Commensurate Phase in CeRhIn5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tomoki、Arashima Koki、Hirose Yusuke、Settai Rikio、Matsui Kazuki、Nomura Toshihiro、Kohama Yoshimitsu、Ihara Yoshihiko
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 094709-1～-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.094709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal-field Paschen-Back effect on ruby in ultrahigh magnetic fields (2020)
  • 著者名/発表者名: Gen Masaki、Kanda Tomoki、Shitaokoshi Takashi、Kohama Yoshimitsu、Nomura Toshihiro
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 ページ: 033257-1～-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033257
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anisotropic Fully Gapped Superconductivity Possibly Mediated by Charge Fluctuations in a Nondimeric Organic Complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Imajo S.、Akutsu H.、Kurihara R.、Yajima T.、Kohama Y.、Tokunaga M.、Kindo K.、Nakazawa Y.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: 177002-1～-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.177002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Broad Tunability of Carrier Effective Masses in Two-Dimensional Halide Perovskites (2020)
  • 著者名/発表者名: Dyksik Mateusz、Duim Herman、Zhu Xiangzhou、Yang Zhuo、Gen Masaki、Kohama Yoshimitsu、Adjokatse Sampson、Maude Duncan K.、Loi Maria Antonietta、Egger David A.、Baranowski Michal、Plochocka Paulina
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 5 ページ: 3609～3616
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01758
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced spin correlations in the Bose-Einstein condensate compound Sr3Cr2O8 (2020)
  • 著者名/発表者名: Nomura T.、Skourski Y.、Quintero-Castro D. L.、Zvyagin A. A.、Suslov A. V.、Gorbunov D.、Yasin S.、Wosnitza J.、Kindo K.、Islam A. T. M. N.、Lake B.、Kohama Y.、Zherlitsyn S.、Jaime M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 165144-1～-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.165144
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum oscillations and magnetic field induced Fermi surface reconstruction in the charge density wave state of A0.9Mo6O17 (A=Na,K) (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhu H. P.、Yang M.、Ke J. Z.、Zuo H. K.、Peng T.、Wang J. F.、Liu Yi、Xu Xiaofeng、Kohama Y.、Kindo K.、Greenblatt M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 235164-1～-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.235164
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Entropy near the magnetization plateau of SrCu2(BO392 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Kohama
  • 学会等名: The international workshop on Quantum Magnets in Extreme Conditions
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 強磁場におけるスピンネマティック候補物質の探索的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小濱芳允
  • 学会等名: 第135回フロンティア材料研究所講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Recent Thermodynamic Studies on Spin Nematic Candidates (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Kohama
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Research in High Magnetic Fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Field-induced magnetic state in Pb(TiO)Cu4(PO4)4 studied by pulsed-field NMR measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Ihara, K. Hayashi, M. Shimohashi, T. Kanda, K. Matsui, Y. Kohama, K. Kindo, K. Kimura, and T. Kimura
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Research in High Magnetic Fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 2D-NMR測定によるCaCu3(OH)30.6H2Oの短距離相関状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦、吉田紘行、松井一樹、小濱芳允
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] パルス磁場中NMR測定によるPb(TiO)Cu4(PO4)4の磁場誘起磁気秩序状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林馨、下橋正和、井原慶彦、神田朋希、松井一樹、小濱芳允、木村健太、木村剛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ブリージングパイロクロア格子磁性体CuInCr4S8に対する定常磁場NMRによる磁気状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田朋希, 厳正輝, 松井一樹, 岡本佳比古, 竹中康司, 井原慶彦, 小濱芳允
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ブリージングカゴメ反強磁性体Li2Cr3SbO8の超強磁場磁歪 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石井裕人, 池田暁彦, 厳正輝, 小濱芳允, 吉田紘行, 松田康弘
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 強磁場磁化測定による異方的三角格子量子磁性体A3ReO5X2の磁気モデルの評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 厳正輝, 平井大悟郎, 松山直史, 森田克洋, 松尾晶, 小金聖史, 廣井善二, 金道浩一, 小濱芳允
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] フラストレート半金属GdGaIにおける強磁場下での電荷密度波の融解 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大熊隆太郎, 石川孟, Zhuo Yang, 金道浩一, 小濱芳允, 岡田佳憲
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 新奇磁気スキルミオンホスト物質GdRu2Si2における量子振動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松山直史, 野村肇宏, 今城周作, N.D.Khanh, 高木里奈, 十倉好紀, 関真一郎, 小濱芳允
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 上部臨界磁場からみた水素置換鉄系超伝導体の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 河智史朗, 飯村壮史, 野村肇宏, 小濱芳允, 佐々木隆志, 徳永将史, 山浦淳一, 倉本義夫, 村上洋一, 細野秀雄
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] カリウム蒸着で希薄ドープ化した綺麗なCuO2面の電子状態：レーザー角度分解光電子分光による研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 磯野隼佑, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 大久保卓, 鶴川智一, 黒田健太, 辛埴, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 超強磁場下におけるルビーR線の新たなパッシェン-バック効果の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 厳正輝, 神田朋希, 下起敬史, 小濱芳允, 野村肇宏
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] パルス強磁場中NMR測定のための装置開発 IV (2020)
  • 著者名/発表者名: 松井一樹, 神田朋希, 小濱芳允, 井原慶彦
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 強磁場下におけるカイラル反強磁性体Sr(TiO)Cu4(PO4)4の弾性応答と磁気熱量効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野村肇宏, 加藤康之, 求幸年, S. Zherlitsyn, 小濱芳允, 勝吉司, 木村剛, 木村健太
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [備考] 物性研究所・小濱研HP
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/kohama_group.html
• [産業財産権] 磁場発生装置 (2020)
  • 発明者名: 小濱芳允、金道浩一
  • 権利者名: 小濱芳允、金道浩一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-185391
• [学会・シンポジウム開催] The International Workshop on Quantum Magnets in Extreme Conditions (2021)