重い電子の人工制御

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25220710
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 松田 祐司 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50199816)
• 研究分担者: 芝内 孝禎 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (00251356) ; 笠原 成 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (10425556) ; 花栗 哲郎 独立行政法人理化学研究所, その他部局等, その他 (40251326) ; 寺嶋 孝仁 京都大学, 学内共同利用施設等, 教授 (40252506)
• 研究期間 (年度): 2013-05-31 – 2018-03-31
• キーワード: 重い電子 / 超伝導 / 人工超格子 / 空間反転対称性 / 量子臨界点

研究実績の概要

f電子を含む重い電子系化合物は、新奇超伝導状態や量子臨界現象など未解明の興味ある電子状態の宝庫である。我々はこれまで希土類原子を原子1層単位で制御した人工超格子や超薄膜を作製する技術を世界で初めて確立した。我々は、この独自の技術を用いて、自然界には存在しない強相関電子状態を創製すること、そしてさらにバルクの結晶では実現できなかった原子レベルで平坦かつ清浄な表面を実現し、世界最高レベルのエネルギー分解能をもつ極低温走査トンネル顕微鏡でその電子状態を「その場観察」することを目指している。本年度はこの目的のために、重い電子系超伝導体CeCoIn5と従来型の金属であるYbCoIn5を原子層単位で積層成長させた人工超格子を作製した。特にCeCoIn5の膜圧を固定したまま、上下のYbCoIn5の膜圧を変化させ、人工的に空間反転対称性の破れを導入した人工超格子を作製した。空間反転対称性の破れの度合いは、超伝導上部臨界磁場の角度変化により定量的に見積もることができる。その結果YbCoIn5の膜圧を変化させることにより、空間反転対称性の破れの度合いを大きく人工的に変化させることが出来ることを発見した。このことにより、従来のバルクの超伝導体では不可能であった新しい超伝導状態の創成が可能になることを初めて明らかにした。

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

本研究の目的は、我々の独自に開発した技術を用いて、（１）自然界には存在しない強相関電子状態を創製すること、（２）そしてさらにバルクの結晶では実現できなかった原子レベルで平坦かつ清浄な表面を実現し、世界最高レベルのエネルギー分解能をもつ極低温走査トンネル顕微鏡でその電子状態を「その場観察」することである．
（１）に関しては、これまでに様々な人工超格子の作製に成功している。例えば非従来型超伝導CeCoIn5の一層の厚みしか持たない人工超格子が超伝導になることを示しただけでなく、その超伝導状態も特異なものであることも明らかにした。またCeCoIn5層の上下層に異なる膜圧の金属YbCoIn5を積層成長させることにより、人工的に空間反転対称性を導入することに成功した。したがって当初からの新奇超伝導状態をつくり出す計画は順調に進展していると考える。
（２）に関しても、バルクでは実現できなかった清浄表面を出すことにすでに成功している。ただし導入した走査トンネル顕微鏡の装置の初期不良のため、原子像の観測には成功しているが、電子状態のスペクトルを精密に観測するには至っていない。しかしながら後2-3ヶ月の後に問題は解決すると考えている。

今後の研究の推進方策

我々はこれまでに様々な人工超格子の作製に成功しているが、今後も引き続き様々な重い電子系超格子を作製してゆく予定である。具体的には例えば、・・ABC/ABC/ABC・・と3種類の異なる化合物を交互に積層成長させたトリコロール格子を作製し、マクロに空間反転対称性を破る人工超格子を作製し新しい超伝導状態の実現を目指す。また磁気的な基底状態を持つCeRhIn5と超伝導を基底状態に持つCeCoIn5やCeIrIn5を積層成長させたハイブリッド人工超格子を作製し、磁性と空間的に共存した新しい超伝導状態をつくり出すことをめざす。さらにすでにバルクでは実現できなかった重い電子の清浄表面を出すことにすでに成功しているので今後、走査トンネル顕微鏡の初期不良を速やかに解決し、トンネル顕微鏡が順調に稼働し始め次第、詳細な超伝導トンネルスペクトラムの測定や、不純物まわりの近藤ホールの観測を行いたいと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Fermi Surface of IrTe2 in the Valence-Bond State as Determined by Quantum Oscillations (2015)
  • 著者名/発表者名: S. F. Blake, M. D. Watson, A. McCollam, S. Kasahara, R. D. Johnson, A. Narayanan, G. L. Pascut, K. Haule, V. Kiryukhin, T. Yamashita, D. Watanabe, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and A. I. Coldea
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 ページ: 121105(R)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.121105
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Emergence of Orbital Nematicity in the Tetragonal Phase of BaFe2(As1-xPx)2 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Iye, M.-H. Julien, H. Mayaffre, M. Horvatic, C. Berthier, K. Ishida, H. Ikeda, S. Kasahara, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 84 ページ: 043705
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.043705
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Colossal Thermomagnetic Response in the Exotic Superconductor URu2Si2 (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita, Y. Shimoyama, Y. Haga, T. D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Sumiyoshi, S. Fujimoto, A. Levchenko, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 11 ページ: 17-20
  • DOI: 10.1038/nphys3170
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Disorder-Induced Topological Change of the Superconducting Gap Structure in Iron Pnictides (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizukami, M. Konczykowski, Y. Kawamoto, S. Kurata, S. Kasahara, K. Hashimoto, V. Mishra, A. Kreisel, Y. Wang, P. J. Hirschfeld, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 ページ: 5657
  • DOI: 10.1038/ncomms6657
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural Origin of the Anomalous Temperature Dependence of the Local Magnetic Moments in the CaFe2As2 Family of Materials (2015)
  • 著者名/発表者名: L. Ortenzi, H. Gretarsson, S. Kasahara, Y. Matsuda, T. Shibauchi, K. D. Finkelstein, W. Wu, S. R. Julian, Y.-J. Kim, I. I. Mazin, and L. Boeri
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 114 ページ: 047001
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.060504
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Critical Fields in Quantum Critical Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: C. Putzke, P. Walmsley, J. D. Fletcher, L. Malone, D. Vignolles, C. Proust, S. Badoux, P. See, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. Kasahara, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and A. Carrington
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 ページ: 5679
  • DOI: doi:10.1038/ncomms6679
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Fermi Surface in FeSe Seen by Shubnikov-de Haas Oscillation Measurements (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Terashima, N. Kikugawa, A. Kiswandhi, E.-S. Choi, J. S. Brooks, S. Kasahara, T. Watashige, H. Ikeda, T. Shibauchi, Y. Matsuda, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Löhneysen, and S. Uji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 ページ: 144517
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.144517
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Infrared Pseudogap in Cuprate and Pnictide High-Temperature Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: S. J. Moon, Y. S. Lee, A. A. Schafgans, A. V. Chubukov, S. Kasahara, T. Shibauchi, T. Terashima, Y. Matsuda, M. A. Tanatar, R. Prozorov, A. Thaler, P. C. Canfield, S. L. Bud'ko, A. S. Sefat, D. Mandrus, K. Segawa, Y. Ando, D. N. Basov
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 ページ: 014503
  • DOI: doi:10.1038/ncomms5188
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observation of lattice symmetry breaking at the hidden-order transition in URu2Si2 (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Tonegawa, S. Kasahara, T. Fukuda, K. Sugimoto, N. Yasuda, Y. Tsuruhara, D. Watanabe, Y. Mizukami, Y. Haga, T. D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Ikeda, Y. Matsuda, T. Shibauchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 ページ: 4188
  • DOI: doi:10.1038/ncomms5188
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Broken Symmetries in URu2Si2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi, H. Ikeda, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: 94 ページ: 3747-3759
  • DOI: 10.1080/14786435.2014.887861
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Field-Induced Superconducting Phase of FeSe in the BCS-BEC Crossover (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kasahara, T. Watashige, T. Hanaguri, Y. Kohsaka, T. Yamashita, Y. Shimoyama, Y. Mizukami, R. Endo, H. Ikeda, K. Aoyama, T. Terashima, S. Uji, T. Wolf, H. v. Loehneysen, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 111 ページ: 16309-16313
  • DOI: 10.1073/pnas.1413477111
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Controllable Rashba Spin-Orbit Interaction in Artificially Engineered Superlattices Involving Heavy Fermion Superconductor CeCoIn5 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Shimozawa, S. K. Goh, R. Endo, R. Kobayashi, T. Watashige, Y. Mizukami, H. Ikeda, H. Shishido, Y. Yanase, T. Terashima, T. Shibauchi, Y. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 112 ページ: 156404
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.156404
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Quantum Critical Point Lying Beneath the Superconducting Dome in Iron Pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi, A. Carrington, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Annual Review of Condensed Matter Physics 巻: 5 ページ: 113
  • DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-031113-133921
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Doping evolution of the quasiparticle excitations in heavily hole-doped Ba1－xKxFe2As2: A possible superconducting gap with sign-reversal between hole pockets (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Watanabe, T. Yamashita, Y. Kawamoto, S. Kurata, Y. Mizukami, T. Ohta, S. Kasahara, M. Yamashita, T. Saito, H. Fukazawa, Y. Kohori, S. Ishida, K. Kihou, C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, A. B. Vorontsov, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 ページ: 115112
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.89.115112
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pseudogap formation above the superconducting dome in iron-pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shimojima et al.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 ページ: 045101
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.89.115112
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 2D confinement of heavy fermions (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Materials and Mechanisms of Superconductivity
  • 発表場所: Geneva, Switerland
  • 年月日: 2015-07-23 – 2015-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] BCS-BEC crossover in iron-based superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: International Seminar and Workshop Quantum Design
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2015-07-13 – 2015-07-17
  • 招待講演
• [学会発表] BCS-BEC crossover in iron selenide (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Gordon conference
  • 発表場所: Hong Kong
  • 年月日: 2015-05-24 – 2015-05-29
  • 招待講演
• [学会発表] BCS-BEC crossover in iron-based superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Workshop on Physics and Applications of Superconductivity
  • 発表場所: Cambridge, UK
  • 年月日: 2015-04-16 – 2015-04-19
  • 招待講演
• [学会発表] Slicing the Kondo lattice (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: 1st International Symposium on Interactive Material Science
  • 発表場所: Osaka
  • 年月日: 2014-11-17 – 2014-11-19
  • 招待講演
• [学会発表] Physics of iron pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Boulder School for Condensed Matter
  • 発表場所: Boulder, Colorado, USA
  • 年月日: 2014-07-13 – 2014-07-19
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum critical point in iron-pnictide (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Gordon conference
  • 発表場所: Mount Holyoke College, MA, USA
  • 年月日: 2014-06-22 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [備考] 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻固体電子物性研究室
  • URL: http://kotai2.scphys.kyoto-u.ac.jp/index.php