| 研究課題/領域番号 |
22H01173
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
宇治 進也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, NIMS特別研究員 (80344430)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| キーワード | 磁気トルク / トポロジカル物質 / 超伝導 |
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| 研究実績の概要 |
トポロジカル電子相の研究は、ここ10年間物性物理学における最も興味深いトピックスの一つとなっている。一連のトポロジカル物質群の中で、特にバンドの交点が閉じたループや開いた曲線を持つノード線ワイル半金属やディラック半金属は、新しいタイプのトポロジカル半金属相であり、その電子相に興味が持たれている。特にこれらの物質では、特異な表面状態を出現すると理論的に予想されており、そこでは従来型のBCS超伝導とは異なるエキゾチックな超伝導状態が実現している可能性がある。
ノーダルライン半金属であるNaAlSiは、空間群P4/nmmの正方晶構造を持つ。Al原子が4個のSi原子と結合したAl-Si四面体が2次元的に配列した層を形成し、AlとSiのs,p軌道で伝導帯が形成されている。常圧で比較的高い転移温度Tc =7 Kを持ち、a軸方向で臨界磁場が大きな異方的な超伝導である。量子振動測定からは、電子とホールで形成される小さなフェルミ面しか存在しないことをすでに我々は明らかにしてきた。本年は、この超伝導を詳細に調べるために、１つの単結晶で測定可能なマイクロキャンティレバー法による磁気トルク測定を行った。
超伝導相では、結晶中の磁束線が強くピン止めされているため、ヒステリシスを伴う大きな反磁性トルク信号が観測される。低温、低磁場での磁気トルク測定（磁場方位依存性）で、バルクの超伝導に由来する幅の広い反磁性トルクカーブの他、非常に鋭い反磁性トルク信号が観測されることを見出した。反磁性が消失する臨界角は面内方向からせいぜい±5度程度であることから、この結果は磁場方位がほぼ層に平行な時のみ超伝導が安定できるという極めて２次元性の高い超伝導状態がバルク超伝導とは別に存在することを示している。この超伝導はNaAlSiの特異な表面状態に起因するものであると予想される。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
様々な電子系において、熱揺らぎが抑制される低温で電子構造の対称性が低下する相転移が起こる。本研究ではそのような相転移を磁気トルク測定手法により詳細に調べ、相転移メカニズム解明や、秩序変数の同定などに寄与することを目的としている。
研究開始当初は、ディラックループを持つ典型的なトポロジカル物質として知られているβ相ReO2の磁気トルク測定を詳細に行い、低温領域で電気四極子秩序が増大するふるまいを発見した。また、ノーダルライン半金属であり超伝導体であるNaAlSiの磁気トルクを測定し、量子振動を見出した。量子振動を幅広い温度、磁場範囲、さらにさまざまな磁場方位で測定することで、バンド計算とも合わせて、フェルミ面構造を決定した。またディラック点形成に起因する非自明なベリー位相も決定した。さらにこの物質で、バルク超伝導の他に新規の層状超伝導を発見した。また、スピン軌道結合金属Cd2Re2O7の類似物質であるPb2Re2O7の磁気トルク測定も手掛けている。以上の一連の成果から、本研究は順調に研究が進んでいると言える
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| 今後の研究の推進方策 |
スピン軌道結合金属Cd2Re2O7は室温では立方晶構造（点群Oh）の常磁性金属であるが、200Kで構造の反転対称性を失い正方晶D2dへと転移し、さらに120Kで別の正方晶D4へ転移する。この相転移の起源は、スピン軌道相互作用によるフェルミ面の構造不安定性(電子起源の構造相転移)であると考えられている。我々はCd2Re2O7の磁気トルク結果の詳細な解析から、この秩序相(200K以下)では規約表現Eg、Euに属する秩序変数が出現し、それらが電気四極子(EQ)秩序と電気トロイダル四極子(ETQ)秩序であることを明らかにしている。とくに低温領域で、EQ秩序変数が発散的な増大を示すこと、そしてその物理的起源が量子臨界現象を思わせるものであることを見出したが、その理解は不十分なものとなっている。そこで、関連物質である同型のPb2Re2O7の磁気トルク測定を行う予定である。Pb2Re2O7は先行研究からCd2Re2O7と同様に対称性の低下を伴う相転移を室温付近で起こすことが知られているが、その秩序変数は明らかとなっていない。詳細なトルク実験を行い、これらスピン軌道結合金属で起こる秩序変数の普遍性、転移の次数、揺らぎの効果などを解明する。上記以外にも、他の関連物質の磁気トルク測定を行い、スピン軌道結合金属の相転移の多様性とその本質を理解したい。
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