圧力下でUTe2のスピン三重項超伝導状態を探る

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K03516
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 本多 史憲 九州大学, アイソトープ統合安全管理センター(伊都地区), 教授 (90391268)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 圧力誘起超伝導 / 高圧下物性 / 構造相転移 / スピン三重項超伝導 / アクチノイド化合物

研究実績の概要

UTe2は強磁性相関が強く常圧下において発現する超伝導はスピン三重項状態であると考えられている。直方晶のb軸方向に磁場によって増強される超伝導や磁場誘起超伝導相、圧力下で現れる超伝導多重相と磁気秩序などエキゾチックな物性が次々と発見されており、大きな注目を集めている。本研究では、実験と理論から盛んに研究が行われているスピン三重項超伝導体UTe2の超伝導多重相の秩序変数、圧力誘起磁気秩序に加え、圧力下の結晶構造相転移、新しい圧力誘起相などを明らかにすることを目的としている。
今年度の主な研究実績とその概要は以下の通りである。（1）UTe2が室温で約3－4GPaにおいて圧力誘起結晶構造相転移が起こることをこれまでに明らかにしたが、低温におけるx線回折実験の結果から、低温においてはこの圧力誘起による構造相転移がさらに高圧下で起こることがわかった。（2）上記の1.により圧力―温度相図を描画したところ、常圧において摂氏約600－800度Cで相転移が起こる可能性が示唆された。示差熱分析法により常圧におけるUTe2の発/吸熱反応を調べ、UTe2の構造不安定性にともなう異常を確認した。（3）CeSb2の結晶育成を行い、圧力や強磁場下での物性測定を進めた。（4）UCu2P2の基礎物性や圧力下物性についての追加実験を行い、ウランの５f電子としては非常に高い強磁性転移温度を持つ同物質の発現機構に関する論文を執筆した。（5）UCuP2の圧力下電気抵抗測定を行ったが、量子臨界点に関わるような異常は確認されなかった。(6)新規化合物UPt3Al5の基礎物性や磁気構造について詳しく調べた。

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

本研究において具体的な研究計画としては、（1）UTe2のスピン三重項超伝導多重相の超伝導/磁気特性を明らかにする、（2）UTe2の高圧物性の解明、（3）UCuP2などの圧力誘起新奇量子相および新物質/新物性探索、を行う予定である。
本研究においては、UTe2で発現するスピン三重項超伝導、超伝導多重相、圧力誘起超伝導相など多彩な超伝導状態についての知見を得るとともに、それに付随する様々な性質などをあきらかにしていくことを目的としている。今年度は、UTe2の圧力誘起構造相転移の相線を低温から高温にわたって調べ、それに伴う、常圧での構造不安定点を見いだすなどUTe2の高圧物性に関する研究を進めた。
ウランは核燃料物質に該当し、少量の場合でも国際規制物資として、その使用や取扱は法律によって制限されている。本研究課題を進めるために、九州大学での核燃料物質、国際規制物資の使用目的/方法の変更や新たな使用室を設定するなど法律に乗っ取った手続きを終え、点接合分光による微視的研究をスタートした．
UCu2P2については、国際共同研究により基礎物性から高圧物性までの一連の結果について論文の作成をほぼ終えておりまもなく国際誌に投稿する予定である。
以上のことから本研究は当初の計画通り概ね順調に進んでいると考えている。

今後の研究の推進方策

九州大学においてUTe2の常圧下での点接合分光を進め、超伝導ギャップの測定を行う。さらに作製した高圧下点接合分光測定用圧力セルを用いて加圧テストや加圧下での点接合分光測定手法を検討した後実際の測定を行っていきたい。UTe2の圧力下磁化測定を行い圧力誘起相転移の起源を調べる。関連物質であるUTeSeやUTeAsなどの特に圧力誘起超伝導の探索を主眼とした高圧下物性研究、さらにUCuP2やUCu2P2などのウラン化合物強磁性体の量子臨界性の探索などを行っていく。

次年度使用額が生じた理由

点接合分光で使用する圧力セルについて再設計を行い、内部の端子の配置などで検討すべき事項がありこれらの制作費などが次年度使用額となった。他にも開発中の圧力セル・測定システムがあり、これらの圧力セルの改良、低温装置用のアタッチメントなどのための消耗品の購入を行う。また情報収集や成果発表のための学会参加費などにも使用する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Ivan Franko National University of Lviv(ウクライナ)
  • 国名: ウクライナ
  • 外国機関名: Ivan Franko National University of Lviv
• [国際共同研究] Charles University/Academy of Science of the Czech Republic(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: Charles University/Academy of Science of the Czech Republic
• [国際共同研究] CNRS/CEA(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS/CEA
• [雑誌論文] Field-induced Insulator - Metal Transition in EuTe2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Tetsuya、Honda Fuminori、Aoki Dai、Haga Yoshinori、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki、Kindo Koichi、Karube Kosuke、Harima Hisatomo、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 93 ページ: 044708-1～10
  • DOI: 10.7566/JPSJ.93.044708
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physical Properties of a New Ternary Compound RPt3Al5 (R = rare earth) (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Hiroto、Koizumi Takatsugu、Sato Yoshiki J.、Shimizu Yusei、Nakamura Ai、Li Dexin、Homma Yoshiya、Miyake Atsushi、Aoki Dai、Tokunaga Masashi、Kato Ryoma、Shiga Masanobu、Kawae Tatsuya、Honda Fuminori
  • 雑誌名: New Physics: Sae Mulli 巻: 73 ページ: 1135～1139
  • DOI: 10.3938/NPSM.73.1135
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of the Ce 4f states in the electronic structure of the intermediate-valence superconductor CeIr3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujimori Shin-ichi、Kawasaki Ikuto、Takeda Yukiharu、Yamagami Hiroshi、Sasabe Norimasa、Sato Yoshiki J、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Maurya Arvind、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: Electronic Structure 巻: 5 ページ: 045009～045009
  • DOI: 10.1088/2516-1075/ad0a3d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusually strong electronic correlation and field-induced ordered phase in YbCo2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Valenta J、Tsujii N、Yamaoka H、Honda F、Hirose Y、Sakurai H、Terada N、Naka T、Nakane T、Koizumi T、Ishii H、Hiraoka N、Mori T
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 35 ページ: 285601-1～6
  • DOI: 10.1088/1361-648x/acca5a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-Temperature Magnetic Fluctuations Investigated by 125-Te-NMR on the Uranium-Based Superconductor UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujibayashi Hiroki、Kinjo Katsuki、Nakamine Genki、Kitagawa Shunsaku、Ishida Kenji、Tokunaga Yo、Sakai Hironori、Kambe Shinsaku、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 053702-1-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.053702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Reduction in the a-axis Knight Shift on UTe2 with Tc = 2.1 K (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumura Hiroki、Fujibayashi Hiroki、Kinjo Katsuki、Kitagawa Shunsaku、Ishida Kenji、Tokunaga Yo、Sakai Hironori、Kambe Shinsaku、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 063701-1-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.063701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconducting spin reorientation in spin-triplet multiple superconducting phases of UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kinjo Katsuki、Fujibayashi Hiroki、Matsumura Hiroki、Hori Fumiya、Kitagawa Shunsaku、Ishida Kenji、Tokunaga Yo、Sakai Hironori、Kambe Shinsaku、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 ページ: eadg2736-1-6
  • DOI: 10.1126/sciadv.adg2736
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced Structural Phase Transition and New Superconducting Phase in UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Honda Fuminori、Kobayashi Shintaro、Kawamura Naomi、Kawaguchi Saori I.、Koizumi Takatsugu、Sato Yoshiki J.、Homma Yoshiya、Ishimatsu Naoki、Gouchi Jun、Uwatoko Yoshiya、Harima Hisatomo、Flouquet Jacques、Aoki Dai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 044702-1-10
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.044702
  • 査読あり
• [学会発表] Magnetoelastic properties of 5f ferromagnet UCu2P2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Volodymyr Buturlim, Petr Petr, Oleksandra Koloskova, Jiri Prchal, Ilja Turek, Fuminori Honda, Martin Divis, Dariusz Kaczorowski, Krzysztof Gofryk, Ladislav Havela
  • 学会等名: Actinides 2023 International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Pressure-induced Structural Phase Transition and New Superconducting Phase in UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Fuminori Honda, Shintaro Kobayashi, Naomi Kawamura, Saori I. Kawaguchi, Takatsugu Koizumi, Yoshiya Homma, Hisatomo Harima, Jacques Flouquet, and Dai Aoki
  • 学会等名: 10th International Workshop on the Dual Nature of f-electons
  • 国際学会
• [学会発表] Details of the first order metamagnetic transition in UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Miyake, Masaki Gen, Akihiko Ikeda, Kazumasa Miyake, Yusei Shimizu, Yoshiki J. Sato, Dexin Li, Ai Nakamura, Yoshiya Homma, Fuminori Honda, Masashi Tokunaga, Jacques Flouquet and Dai Aoki
  • 学会等名: 10th International Workshop on the Dual Nature of f-electons
  • 国際学会
• [学会発表] UTe2 undergoes structural phase transition under high pressure with drastic effects on electronic transport properties (2023)
  • 著者名/発表者名: F. Honda, S. Kobayashi, N. Kawamura, S. Kawaguchi, T. Koizumi, Y. J. Sato, Y. Homma, J. Flouquet, and D. Aoki
  • 学会等名: 14th Prague Colloquium on f-Electron Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Pressure-induced Structural Phase Transition and New Superconducting Phase in UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Fuminori Honda, Shintaro Kobayashi, Naomi Kawamura, Saori I. Kawaguchi, Jun Gouchi, Yoshiya Uwatoko, Jacques Flouquet, Dai Aoki
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Physical Properties of a New Ternary Compound RPt3Al5 (R = rare-earth element) and UPt3Al5 (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Fukuda, Fuminori Honda, Takatsugu Koizumi, Yusei Shimizu, Yoshiki Sato, Ai Nakamura, Dexin Li, Yoshiya Homma, Atsushi Miyake, Masashi Tokunaga, Masanobu Shiga, Tatsuya Kawae, Dai Aoki
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced Anomalous Hall Effect Caused by Magnetic Fluctuation at the Vicinity of Field-Reentrant Superconductivity in UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Motoi Kimata, Yusei Shimizu, Ai Nakamura, Dexin Li, Yoshiya Homma, Shiori Sugiura, Fuminori Honda, Tahahiko Sasaki, Dai Aoki
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Actinide Intermetallic Compound ThRh6Ge4 : de Haas-van Alphen Study (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Haga, Etsuji Yamamoto, Ai Nakamura, Fuminori Honda, Dai Aoki, Yuji Matsumoto, Tomoo Yamamura, Kenji Shirasaki, Hiroshi Yamagami
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 125Te-NMR Knight Shift Measurement on UTe2 with Tc = 2.1 K (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Matsumura, Hiroki Fujibayashi, Katsuki Kinjo, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Yo Tokunaga, Hironori Sakai, Shinsaku Kambe, Ai Nakamura, Yusei Shimizu, Yoshiya Homma, Dexin Li, Fuminori Honda, Dai Aoki
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] NMR Study on Multiple Superconducting Phases of UTe2 under Pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Katsuki Kinjo, Hiroki Fujibayashi, Hiroki Matsumura, Fumiya Hori, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Yo Tokunaga, Hironori Sakai, Shinsaku Kambe, Ai Nakamura, Yusei Shimizu, Yoshiya Homma, Dexin Li, Fuminori Honda, Dai Aoki
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] The exotic valence state of rare-earth compounds under high pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Fuminori Honda
  • 学会等名: Muroran-IT Rare Earth Workshop2023
  • 国際学会 / 招待講演