銅酸化物高温超伝導体における多電子自由度が絡むマルチダイナミクスの研究

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23340093
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 藤田 全基 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20303894)
• 研究分担者: 山瀬 博之 独立行政法人物質・材料研究機構, 環境・エネルギー材料部門超伝導物性ユニット, 主任研究員 (10342867) ; 森 道康 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 先端基礎研究センター, 副主任研究員 (30396519) ; 足立 匡 上智大学, 理工学部, 准教授 (40333843) ; 石井 賢司 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門構造物性研究ユニット, 研究副主幹 (40343933)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 高温超伝導 / 中性子散乱 / 量子ビーム

研究実績の概要

昨年度までに作成した高品質な銅酸化物高温超伝導体の単結晶に対して、本研究の特徴である中性子散乱、ミュオン回転/緩和測定を相補的に行い、スピン相関を詳細に調べた。中性子磁気非弾性散乱実験では、J-PARCにおける高輝度中性子の特性を活かし、これまでにない精度で磁気励起スペクトルを詳細に調べ、典型的なホールドープ系超伝導体であるLa2-xCaxCuO4の低エネルギー領域の格子非整合励起と高エネルギー領域のスピン波的励起が分離していることを強く示唆する結果を得る事ができた。これは磁気励起の起源がエネルギー遷移に対して二種類あることを意味しており、これまで砂時計型磁気励起として報告されてきた磁気励起の解釈について、根本的な見直しを迫る重要な結果となっている。また、T’構造電子ドープ系超伝導の母物質であるPr1.4La0.6CuO4とEr2CuO4の磁性に対するアニール効果を中性子弾性散乱実験とミュオン回転/緩和測定で調べた。電子ドープ系銅酸化物においては、超伝導を発現するために還元アニール処理が必要であるが、磁性に対する影響はこれまであまり調べられていない。今回の結果で、Cu, Pr のordered moment がアニールにより減少することが確認された。この減少したordered momentの大きさは、昨年度までの実験で判明した、中性子非弾性散乱強度の減少度合いと定量的に一致することがわかり、銅イオンのtotal momenそのものがアニールにより減少していることを示す結果を得た。また、スピン密度分布のフーリエ変換成分である磁気形状因子 f(Q)が、CuO2 面内におていアニールの前後で変化していることも確認した。これら結果は、熱処理により銅イオンと酸素イオンの共有結合性が変化するという、これまでに考えられてこなかった新しい側面を提示するものである。

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

海外施設の不調で中性子散乱実験が一件キャンセルとなったが、J-PARCおよびSPring-8で国内実験を進めることができた。昨年度までの結果から、本研究のテーマである多電子自由度の複合相関、あるいはそのダイナミクスを調べるための要となる実験はほぼ明らかとなり、J-PARCで系統的な測定を行うことができた。具体的には、20meV程度の低エネルギー中性子非弾性散乱実験で、スピン格子を示唆する磁気励起強度の異常増大を確認することができ、組成変化の様子も捉えることに成功するといった進展があった。また、中性子と共鳴X線非弾性散乱でそれぞれ得た磁気励起と電荷励起の定量解析を進めることもできた。特に電子ドープ系では、スピンと電荷の高エネルギーダイナミクスに相関があることを押さえつつあり、ホールドープ系におけるこれらダイナミクスの相関とは異なることも示した。データが膨大であるため最終的な解析結果には至っていないが、すでに論文作成には充分な結果を得ており、ドーピング依存性を定性的に押さえることはできている。従って、本研究の目的である、複合相関の存在を裏付ける結果を得たものと考えている。

今後の研究の推進方策

昨年度に実施できなかった、T'構造Pr1.4La0.6CuO4の広いエネルギー帯域の磁気励起に対する温度変化を調べ、この系のスピンと電荷の相関に関する補完的な情報を得る。この物質は母物質であり、超伝導相におけるスピンと電荷の複合相関を理解する上では重要な出発物質となる。この物質についてアニール処理を施した試料と施していない仕様における磁気励起の温度変化を明らかにするための実験を完遂する。T'構造二次元銅酸化物では、元素置換を行わなくても超伝導が発現する、いわゆる、ノンドープ超伝導の可能性が現在、盛んに議論されている。この測定結果で磁気励起状態を明らかにすることから、ノンドープ超伝導の是非に関する知見も得られると考えている。また、これまでにえら得ている実験データの詳細な解析を進め、磁気散乱強度の絶対値についてエネルギー依存性、組成依存性、温度依存性を導出する。これによってスピン相関のみならずスピン密度分布を含めてより深い物理の考察し、学会発表、論文発表を行って研究をまとめる。

研究成果

• [雑誌論文] Unscalling Superconducting Parameters with Tc for Bi-2212 and Bi-2223: A Magnetotransport Study in the Superconductive Fluctuation Regime (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Adachi, T. Usui, Y. Ito, H. Kudo, H. Kushibiki, K. Murata, T. Watanabe, K. Kudo, T. Nishizaki, N. Kobayashi, S. Kimura, M. Fujita, K. Yamada, T. Noji, Y. Koike, T. Fujii,
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 0247061-0247066
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.024706
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Energy Spin and Charge Excitations in Electron-Doped Copper Oxide Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Ishii, M. Fujita, T. Sasaki, M. Minola, G. Dellea, C. Mazzoli, K. Kummer, G. Ghiringhelli, L. Braicovich, T. Tohyama, K. Tsutsumi, K. Sato, R. Kajimoto, K. Ikeuchi, K. Yamada, M. Yoshida, M. Kurooka, and J. Mizuki,
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 ページ: 4714/1-8
  • DOI: 10.1038/ncomms4714
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Itinerant Effects and Enhanced Magnetic Interactions in Bi-Based Multilayer Cuprates (2014)
  • 著者名/発表者名: M. P. M. Dean, A. J. A. James, A. C. Walters, V. Bisogni, I. Jarrige, M. Hucker, E. Giannini, M. Fujita, J. Pelliciari, Y. B. Huang, R. M. Konik, T. Schmitt, and J. P. Hill
  • 雑誌名: Phys. Rev. B. 巻: 90 ページ: 220506/1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.220506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamical Structure Factor of Magnetic Excitation in Underdoped La1.90Sr0.10CuO4 Measured by Chopper Neutron Spectrometer (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, M. Matsuura, M. Enoki, K. Yamada, and M. Fujita
  • 雑誌名: Key Engineering Material 巻: 616 ページ: 291-296
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.616.291
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Oxygen Reduction and Ce-Doping on Magnetic Order in T'-Pr1.40-xLa0.60CexCuO4+δ－α Studied by μSR Measurement (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Tsutsumi, K. Tsutsumi, M. Fujita, K. Sato, M. Miyazaki, R. Kadono, K. Yamada
  • 雑誌名: Key Engineering Material 巻: 616 ページ: 297-301
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.616.297
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature Dependence of Spin Fluctuations in Underdoped La1.90Sr0.10CuO4 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, M. Matsuura, M. Fujita, R. Kajimoto, S. Ji, K. Ikeuchi, M. Nakamura, Y. Inamura, M. Arai, M. Enoki, and K. Yamada
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 3 ページ: 017010/1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.017010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Excitation in Lightly-Doped Bi2.4Sr1.6CuO6+y (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Tsutsumi, M. Fujita, M. Enoki, K. Sato, D. Adroja, and K. Yamada
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 3 ページ: 012007/1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.3.012007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal Conductivity in the Frustrated Two-Leg Spin-Ladder System BiCu2PO6 (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Nagasawa, T. Kawamata, K. Naruse, M. Ohno, Y. Matsuoka, H. Sudo, Y. Hagiya, M. Fujita, T. Sasaki and Y. Koikei
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 568 ページ: 042012/1-4
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/568/4/042012
  • 査読あり
• [学会発表] High-Energy Spin Excitations in Electron-Doped Cuprate (2015)
  • 著者名/発表者名: Masaki Fujita, Kenji Ishii, Kentaro Sato, Kenji Tsutsumi
  • 学会等名: 2nd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering
  • 発表場所: Sydney, Australia
  • 年月日: 2015-07-15 – 2015-07-23
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic excitation in electron-doped Pr1.40-xLa0.60CexCuO4-y (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Fujita, K. Sato, K. Tsutsumi, and K. Yamada
  • 学会等名: International Workshop on Unconventional Phenomena in Low-Dimensional Correlated Systems
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 2015-06-05 – 2015-06-08
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子散乱でみる銅酸化物における磁気相間の電子・ホール非対称性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤田 全基
  • 学会等名: 日本物理学会 第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
  • 招待講演
• [学会発表] T'構造銅酸化物Pr1.4La0.6CuO4の磁気形状因子に対するアニール効果の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 堤 健之，佐藤 研太朗，木村 宏之，鬼柳 亮嗣，藤田 全基
  • 学会等名: 第3回物構研サイエンスフェスタ
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-03-17 – 2015-03-18
• [学会発表] 過剰ドープ組成の銅酸化物超伝導体における特異な磁気励起構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 研太朗，脇本 秀一，中島 健次，藤田 全基
  • 学会等名: 第3回物構研サイエンスフェスタ
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-03-17 – 2015-03-18
• [学会発表] Annealing Effect on Magnetism in T'-Structured Cuprate (2015)
  • 著者名/発表者名: K.Tsutsumi, K. Sato, R. Kiyanagi, H. Kimura, M. Fujita
  • 学会等名: 2014 Annual Meeting of Excellent Graduate Schools for "Materials Integration Center" and "Materials Science Center"
  • 発表場所: 秋保温泉 ホテル華の湯（仙台市）
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-10
• [学会発表] Detailed Structure of Magnetic Excitations in High-Tc Copper Oxide Superconductor (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, M. Matsuura, R. Kajimoto, M. Fujita
  • 学会等名: 2014 Annual Meeting of Excellent Graduate Schools for "Materials Integration Center" and "Materials Science Center"
  • 発表場所: 秋保温泉 ホテル華の湯（仙台市）
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-10
• [学会発表] 共鳴非弾性Ｘ線散乱による電子ドープ型銅酸化物超伝導体の磁気励起と電荷励起 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石井 賢司，藤田 全基，佐々木 隆了，M. Minola，G. Dellea，C. Mazzoli，K. Kummer，G. Ghiringhelli，L. Braicovich，遠山 貴己，山田 和芳，吉田 雅洋，黒岡 雅仁，清水 裕友，水木 純一郎
  • 学会等名: 第28回 日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 立命館大学 びわこ・くさつキャンパス（草津市）
  • 年月日: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [学会発表] 量子ビームの複合利用でみる銅酸化物高温超伝導体の磁気相関 (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤田全基
  • 学会等名: 第13回 CROSSroads of Users and J-PARC「強相関電子系の物理」
  • 発表場所: 総合科学研究機構会議室（茨城県東海村）
  • 年月日: 2014-12-02 – 2014-12-03
• [学会発表] Single-crystal growth of underdoped Bi-2223 (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Adachi, T. Usui, K. Takahashi, K. Kosugi, T. Watanabe, T. Nishizaki, T. Adachi, S. Kimura, K. Sato, K. M. Suzuki, M. Fujita, K. Yamada, T. Fujii
  • 学会等名: 27th International Symposium on Superconductivity
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都）
  • 年月日: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [学会発表] T’構造Pr1.4-xLa0.6CexCuO4における磁気秩序のμSR研究と磁気モーメントの評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 堤健之，藤田全基，佐藤研太朗，宮崎正範，小嶋健児，門野良典，山田和芳
  • 学会等名: 新学術領域研究「超低速ミュオン顕微鏡が拓く物質・生命・素粒子科学のフロンティア」第3回領域会議公開 シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学WPI-AIMR本館会議室（仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] フラストレートした2本足スピン梯子系BiCu2PO6における熱伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 長澤秀樹，川股隆行，成瀬晃樹，大野真澄，松岡禎知，須藤皓紀，萩谷勇太，藤田全基，佐々木孝彦，小池洋二
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Bi-2212とBi-2223における磁場中抵抗率転移から求めた超伝導パラメータとTcの関係 (2014)
  • 著者名/発表者名: 足立伸太郎，臼井友洋，渡辺孝夫，西嵜照和，木村尚次郎，藤田全基，野地尚，小池洋二，山田和芳，藤井武則
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Magnetic Excitations in Highly Hole-Doped Layered Nickel Oxides Studied by Inelastic Neutron Scattering (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Kajimoto, M. Fujita, K. Nakajima, K. Iida
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: Buenos Aires
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] Temperature Dependence of Spin and Lattice Dynamics in Spin-Peierls CuGeO3 (2014)
  • 著者名/発表者名: K Ikeuchi, R Kajimoto, K Nakajima, M Fujita, M Arai
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: Buenos Aires
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] Possible Ferromagnetic Phase in Non-Superconducting Heavily Overdoped Cuprates of Bi-2201 (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kurashima, T. Adachi, K. M. Suzuki, Y. Fukunaga, T. Kawamata, T. Noji, Y. Koike
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: Buenos Aires
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] 不足ドープLa1.90Sr0.10CuO4における砂時計型磁気励起の詳細構造 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤研太朗，松浦直人，梶本亮一，藤田全基
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（春日井市）
  • 年月日: 2014-07-19 – 2014-07-23
• [学会発表] Science from the Initial Operation of HRC (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Itoh, T. Yokoo, T. Masuda, H. Yoshizawa, M. Soda, Y. Ikeda, S. Ibuka, D. Kawana, T. J. Sato, Y. Nambu, K. Kuwahara, S. Yano, J. Akimitsu, Y. Kaneko, Y. Tokura, M. Fujita, M. Hase, K. Iwasa, H. Hiraka, T. Fukuda, K. Ikeuchi, K. Yoshida, T. Yamaguchi, K. Ono, Y. Endoh
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC 2014
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-07-14 – 2014-07-15
• [学会発表] Neutron Scattering Study of Spin Fluctuations in La2-xSxCuO4 by Four-Dimensional Mapping of Neutron cross-sections using the chopper spectrometer 4SEASONS (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Wakimoto, K. Ikeuchi, M. Arai, M. Fujita, R. Kajimoto, S. Kawamura, M. Matsuura, K. Nakajim, K. Yamada
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC 2014
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-07-13 – 2014-07-15
• [備考] 量子ビーム金属物理学研究部門
  • URL: http://qblab.imr.tohoku.ac.jp
• [備考] 量子ビームの合わせ技で電子の動きを捉える
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2014/04/press20140425-01.html