重い５ｄ遷移金属酸化物のスピン軌道相互作用と新奇電子相

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24224010
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高木 英典 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40187935)
• 研究分担者: 有馬 孝尚 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (90232066)
• 研究期間 (年度): 2012-05-31 – 2017-03-31
• キーワード: 相関電子 / スピン軌道相互作用 / 5d遷移金属酸化物 / 酸化物超格子 / 量子スピン液体

研究実績の概要

5d遷移金属であるイリジウム(Ir4+)の酸化物では極めて強いスピン軌道相互作用が伝導や磁性の担い手であるd電子の状態を大きく変え、量子位相を内包するJeff=1/2状態が実現する。これに伴う新しい電子相や物性・機能の開拓を目指して研究を進めた。
イリジウム酸化物の典型物質であるSr2IrO4(214)、 Sr3Ir2O7(327)について共鳴X線を用いた研究を進め、磁気モーメントに対する軌道とスピンの寄与の分離からJeff=1/2状態を定量的に確認すると同時、327では磁気構造が異なっていること、遍歴磁性に極めて近く、磁気モーメントの大きさが小さくなっていることを指摘した。アルカリ金属のイオン半径の制御によってペロブスカイトを成長させることが可能との結果を得た。
超格子構造を用いた新物質相の開拓では(100)配向の超格子の金属絶縁体転移について共鳴X線を用いて、長距離秩序を確認した。単層の酸化物超格子で明確な磁気秩序を確認したのは初めてである。これらの技術をベースに、トポロジカルな性質が期待される(111)配向の超格子を作製するための要素技術の蓄積を行った。
キタエフ型スピン液体の舞台としてハニカム型のイリジウム酸化物(Na,Li）2IrO3の関連物質の開拓をさらに進め、ハニカム構造と密接に関連した構造を有する新物質を発見した。
二元の酸化物IrO2についてスピンホール素子を作製し、強いスピン軌道相互作用を体現すると思われる極めて大きな逆スピンホール効果を発見した。一般に酸化物は電気抵抗が高く、スピン流を電圧に変化する際に大きなメリットとなることを示した。IrO2はシリコンデバイスの電極などに使われている一般性の高い材料である。

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

典型物質の基礎学理の研究が順調に進展し、Jeff=1/2状態の特徴について満足のいく形でまとめることができた。研究の柱である新物質・物性について、新たな発見があった。スピン軌道相互作用の視点で、機能を発信できたは大きいと考える。新物質物性測定を経て大きなブレークスルーとして来年度発信できる見通しがある。これらの成果により、今年度も10件近い国際会議から招待講演の依頼を受けた。

今後の研究の推進方策

超構造、新物質について、ブレークスルーの芽を得ているので、それを確実なものにすべく注力したい。(111)超格子は、トポロジカル状態の実現が期待され理論実験の両面から興味が持たれてきたが(111)薄膜を安定化させることの困難ゆえに、これまで全く進展がなかった。今年度イオン半径による制御の方法を用いて、二層超格子の作製を行いトポロジカル状態の検証を行いたい。ハニカム系の新物質は、全く新しい3次元構造である。構造の幾何学的特徴と磁性を徹底的に調べることを予定している。

研究成果

• [雑誌論文] Superconductivity at 6K and the Violation of Pauli Limit in Ta2PdxS5 (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Lu, T. Takayama, A. Bangura, Y. Katsura, D. Hashizume, and H. Takagi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 023702-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.023702
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superconductivity in an electron band just above the Fermi level: possible route to BCS-BEC superconductivity (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Okazaki, Y. Ito, Y. Ota, Y. Kotani, T. Shimojima, T. Kiss, S. Watanabe, C.-T. Chen, S. Niitaka, T. Hanaguri, H. Takagi, A. Chainani, and S. Shin
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 4109
  • DOI: 10.1038/srep04109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin and Orbital Contributions to Magnetically Ordered Moments in 5d Layered Perovskite Sr2IrO4 (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Fujiyama, H. Ohsumi, K. Ohashi, D. Hirai, B. J. Kim, T. Arima, M. Takata, and H. Takagi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 112 ページ: 016405-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.016405
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic Structure of a Quasi-Freestanding MoS2 Monolayer (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Eknapakul, P. D. C. King, M. Asakawa, P. Buaphet, R.-H. He, S.-K. Mo, H. Takagi, K. M. Shen, F. Baumberger, T. Sasagawa, S. Jungthawan, and W. Meevasana
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 14 ページ: 1312-1216
  • DOI: 10.1021/nl4042824
  • 査読あり
• [雑誌論文] 5d iridium oxide as a material for spin-current detection (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Fujiwara, Y. Fukuma, J. Matsuno, H. Idzuchi, Y. Niimi, Y. Otani, and H. Takagi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 4 ページ: 3893-1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms3893
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A-Type Antiferro-Orbital Ordering with I41/a Symmetry and Geometrical Frustration in the Spinel Vanadate MgV2O4 (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Niitaka, H. Ohsumi, K. Sugimoto, S. Lee, Y. Oshima, K. Kato, D. Hashizume, T. Arima, M. Takata, and H. Takagi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 267201-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.267201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic indications of polaronic behavior of the strong spin-orbit insulator Sr3Ir2O7 (2013)
  • 著者名/発表者名: P. D. C. King, T. Takayama, A. Tamai, E. Rozbicki, S. M. Walker, M. Shi, L. Patthey, R. G. Moore, D. Lu, K. M. Shen, H. Takagi, and F. Baumberger
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 ページ: 241106(R)-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.241106
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Resonant X-ray Diffraction Study of the Strongly Spin-Orbit-Coupled Mott Insulator CaIrO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ohgushi, J. Yamaura, H. Ohsumi, K. Sugimoto, S. Takeshita, A. Tokuda, H. Takagi, M. Takata, and T. Arima
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110 ページ: 217212-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.217212
  • 査読あり
• [雑誌論文] Memory effect in Topological Surface state in Bi2Te2Se (2013)
  • 著者名/発表者名: YS Fu, T. Hanaguri, S. Yamamoto, K. Igarashi, H. Takagi andT. Sasagawa
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 7 ページ: 4105-4110
  • DOI: 10.1021/nn4003781
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic superlattice revealed by resonant scattering from random impurities in Sr3Ru2O7 (2013)
  • 著者名/発表者名: M. A. Hossain, I. Zegkinoglou, Y.-D. Chuang, J. Geck, B. Bohnenbuck, A. G. Cruz Gonzalez, H.-H. Wu, C. Schüßler-Langeheine, D. G. Hawthorn, J. D. Denlinger, R. Mathieu, Y. Tokura, S. Satow, H. Takagi, Y. Yoshida, Z. Hussain, B. Keimer, G. A. Sawatzky, and A. Damascelli
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 3 ページ: 02299-1-6
  • DOI: 10.1038/srep02299
  • 査読あり
• [雑誌論文] 1.A new “zero-strain” material for electrochemical lithium insertion (2013)
  • 著者名/発表者名: YP Gu, K Taniguchi, R. Tajima, S. Nishimura, D. Hashizume, A. Yamada and H. Takagi
  • 雑誌名: Journal of material chemistry A 巻: 1 ページ: 6550-6552
  • DOI: 10.1039/C3TA10878C
• [雑誌論文] MgSrSi-Type Compounds as a Possible New Family of Thermoelectric Materials (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Katsura and H. Takagi
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 42 ページ: 1365-1368
  • DOI: 10.1007/s11664-012-2226-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photo-assisted aromatic VOC sensing by a p-NiO:Li/n-ZnO transparent heterojunction sensor element (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura, Y. Ishikura, Y. Morita, H. Takagi, and S. Fujitsu
  • 雑誌名: Sensors and Actuators B: Chemical 巻: 187 ページ: 578-585
  • DOI: 10.1016/j.snb.2013.04.105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical excitation of Josephson plasma solitons in a cuprate superconductor (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Dienst, E. Casandruc, D. Fausti, L. Zhang, M. Eckstein, M. Hoffmann, V. Khanna, N. Dean, M. Gensch, S. Winnerl, W. Seidel, S. Pyon, T. Takayama, H. Takagi, and A. Cavalleri
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 12 ページ: 535-541
  • DOI: 10.1038/nmat3580
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive Macroscopic Investigation on Hexagonal C14 Laves-Type Ru-Based Superconductors ARu2 (A = Lu, Y, Sc) with Effective Electron Correlation (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Niitaka, E. Minamitani, Y. Kim, H. Takagi, and K. Kono
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 124703
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.124703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of rebirth of metallic paths during resistance switching of metal nanowire (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Horiba, K. Fujiwara, N. Nagamura, S. Toyoda, H. Kumigashira, M. Oshima, and H. Takagi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 193114
  • DOI: 10.1063/1.4829469
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of long-range all-in-all-out ordering of Ir4+ moments in a pyrochlore iridate Eu2Ir2O7 by resonant x-ray diffraction (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Sagayama, D. Uematsu, T. Arima, K. sugimoto, JJ. Ishikawa, E. O’Farrel and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 ページ: 100403(R)-1-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.100403
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Time-reversal symmetry breaking and consequent physical responses induced by all-in-all-out type magnetic order on the pyrochlore lattice (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Arima
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 013705-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.013705
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] LiV2O4における磁気揺らぎの圧力効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 武田晃，加藤優介，清水康弘，伊藤正行，新高誠司，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] 重い電子系LiV2O4における圧力下軌道状態の研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 吉村政洋，清水康弘，武田晃，伊藤正行，新高誠司，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] 量子スピン液体の舞台としての無機遷移金属酸化物 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
  • 招待講演
• [学会発表] X線吸収分光法によるSrIrO3/SrTiO3超格子の軌道状態観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和達大樹，山村周玄，鈴木基寛，田久保耕，溝川貴司，藤森淳，R. Sutarto，F. He，松野丈夫，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] エキシトニック絶縁体Ta2NiSe5の高圧下における光学伝導度と電子状態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡村英一，尾田武尊，山崎大輝，李惺薫，溝川貴司，片山尚幸，野原実，高木英典D，森脇太郎，池本夕佳，木下豊彦
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] 逆ペロブスカイトAE3(Pb, Sn)Oにおける3次元ディラック電子 (2014)
  • 著者名/発表者名: 葉山慶平，Andreas W. Rost，Juergen Nuss，Claus Muehle，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] 擬一次元カルコゲナイドTa2NiCh5 (Ch = S , Se and Te)における相転移と電子相図 (2014)
  • 著者名/発表者名: 魯楊帆，高山知弘，Andreas W. Rost，河野洋人，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] 擬一次元カルコゲナイドTa2NiCh5(Ch = S , Se and Te)における圧力効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 河野洋人，Andreas W.Rost，竹下直，魯楊帆，高山知弘，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス, 神奈川県
  • 年月日: 2014-03-27 – 2014-03-30
• [学会発表] Spin-orbit coupling induced exotic phases in complex Ir oxides: From quantum spin liquid to semimetal (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: Japn-Indo WS
  • 発表場所: Tokyo,Japan
  • 年月日: 2014-03-24 – 2014-03-24
  • 招待講演
• [学会発表] Exotic magnetism of Jeff = 1/2 iso-spins in complex Ir oxides (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 発表場所: Denver, CO, USA
  • 年月日: 2014-03-04 – 2014-03-04
  • 招待講演
• [学会発表] Exotic electronic phases derived from semi-metals (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: KJT workshop on Spectroscopy of Quantum Materials (QMS)
  • 発表場所: Muju, Korea
  • 年月日: 2014-02-24 – 2014-02-24
  • 招待講演
• [学会発表] Phase sensitive Imaging of Complex Electrons in High-Tc Superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: Otto Hahn lecture
  • 発表場所: University of Hamburg, Hamburg,Germany
  • 年月日: 2013-12-17 – 2013-12-17
  • 招待講演
• [学会発表] Phase Change Functions in Correlated Transition Metal Oxides (2013)
  • 著者名/発表者名: H.Takagi
  • 学会等名: ICAM workshop on Digital Design of Materials-The Way Forward for Materials Science?
  • 発表場所: Boston, MA, USA
  • 年月日: 2013-09-27 – 2013-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] BaPbO3/BaBiO3超格子の超伝導 (2013)
  • 著者名/発表者名: 河底秀幸，松野丈夫，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス, 徳島県
  • 年月日: 2013-09-25 – 2013-09-28
• [学会発表] LiV2O4の高圧絶縁体相における局所磁性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 武田晃，清水康弘，伊藤正行，新高誠司，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス, 徳島県
  • 年月日: 2013-09-25 – 2013-09-28
• [学会発表] Sr2IrO4およびSr3Ir2O7における磁気励起とその温度依存性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 石井賢司，ジャリッジイニヤス，吉田雅洋，水木純一郎，松本章代，加藤晃彦，高山知弘，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス, 徳島県
  • 年月日: 2013-09-25 – 2013-09-28
• [学会発表] 共鳴X線磁気回折によるSrIrO3/SrTiO3超格子薄膜の磁気構造の観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山村周玄，和達大樹，石井賢司，山崎裕一，中尾裕則，村上洋一，松野丈夫，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス, 徳島県
  • 年月日: 2013-09-25 – 2013-09-28
• [学会発表] 三次元ハニカム格子を持つ新規イリジウム酸化物β-Li2IrO3の磁性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 加藤晃彦，高山知弘，R. E. Dinnebier，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス, 徳島県
  • 年月日: 2013-09-25 – 2013-09-28
• [学会発表] Ta2NiSe5における半導体 絶縁体転移 (2013)
  • 著者名/発表者名: 魯楊帆，高山知弘，高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス, 徳島県
  • 年月日: 2013-09-25 – 2013-09-28
• [学会発表] Novel 5d Ir magnets with strong spin-orbit coupling (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Takayama
  • 学会等名: Advances in Quantum Magnets-Dynamics
  • 発表場所: Crete, Greek
  • 年月日: 2013-09-09 – 2013-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Novel 5d compounds: From exotic magnet, excitonic insulator to superconductor (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: MPI-PKS on Spin Orbit Entanglement: Exotic States of Quantum Matter in Electronic Systems
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2013-07-26 – 2013-07-26
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum magnetism and spin-orbit induced semimetallic state in new iridates (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Takayama
  • 学会等名: New Opportunities to Study Magnetism and Related Phenomena in 4d and 5d Systems
  • 発表場所: Oak Ridge National Laboratory, USA
  • 年月日: 2013-07-22 – 2013-07-24
  • 招待講演
• [学会発表] New 5d & 4d oxides and chalcogenides: From exotic magnet, excitonic insulator to superconductor (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: Telluride conference
  • 発表場所: Telluride, CO, USA
  • 年月日: 2013-07-16 – 2013-07-16
  • 招待講演
• [学会発表] Search for new superconductor in the iron age – dream, reality & our struggle (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takagi
  • 学会等名: Gordon conference on superconductivity,
  • 発表場所: Les Diablerets, Switzerland
  • 年月日: 2013-05-12 – 2013-05-12
  • 招待講演