重い電子の人工制御

2014 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 国立研究開発法人理化学研究所, 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 / 量子臨界点 / 空間反転対称性 / 界面制御 / 分子線エピタキシー / 走査型トンネル顕微鏡

研究実績の概要

当該研究は、これまで不可能であった重い電子の人工制御により自然界には存在しない2次元重い電子系物質を人工創製し、新奇な電子状態やエキゾチックな超伝導状態の創出と解明、更には、関連する重い電子系物質や鉄系超伝導体などの非従来型超伝導における電子状態、超伝導状態の包括的な解明を目的とする．

① 本プロジェクトでは、重要課題の一つとして、独自の希土類分子線エピタキシー(MBE)装置と走査型トンネル顕微鏡(STM)装置を結合させたMBE-STM一体装置の開発を行い、バルク結晶では不可能であった原子レベルで平坦かつ清浄な表面における重い電子状態の「その場観察」と解明に取り組んでいる．本年度は、初年度に引き続き、同装置の立ち上げに取り組んだ．MBE装置では原子レベルで平坦な高品質の重い電子系エピタキシャル薄膜が再現性良く得られていることが高速電子線回折像とX線回折から確認された．また、STM測定においては特に種々のノイズ対策と鉄系超伝導体バルク単結晶を用いた試験測定を行い、原子の鮮明なトポグラフ像とトンネルスペクトルが得られるようになった．

② 現有のMBE装置を用いて、様々な人工超格子の作製に取り組んだ。特に、層状重い電子系化合物であるCe115系に関して、重い電子系超伝導体と通常金属の積層構造(CeCoIn5/YbCoIn5)、重い電子系反強磁性体と通常金属の積層構造(CeRhIn5/YbRhIn5)、重い電子系超伝導体のトリコロール格子(YbRhIn5/CeCoIn5/YbCoIn5)、更には重い電子系超伝導体と重い電子系反強磁性体のハイブリッド超格子(CeCoIn5/ CeRhIn5)の作製に成功した．これらの重い電子系人工超格子について、その電子状態および超伝導特性に関する詳細を調べている．

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

様々な人工超格子の作製に取り組み、特に、層状重い電子系化合物であるCe115系に関して、重い電子系超伝導体と通常金属の積層構造(CeCoIn5/YbCoIn5)、重い電子系反強磁性体と通常金属の積層構造(CeRhIn5/YbRhIn5)、重い電子系超伝導体のトリコロール格子(YbRhIn5/CeCoIn5/YbCoIn5)、更には重い電子系超伝導体と重い電子系反強磁性体のハイブリッド超格子(CeCoIn5/ CeRhIn5)の作製に成功した．現在、各々の人工超格子について電子状態および超伝導特性について研究を進めている．これに加えて、核磁気共鳴実験グループやTHz応答研究グループとの共同研究により、人工超格子における異常な電子状態の研究に取り組み、バルク物質にはない興味深い電子状態の研究が着実に進んでいる．

今後の研究の推進方策

当該研究の重要なプロジェクトの一つである分子線エピタキシー(MBE)装置と走査トンネル顕微鏡(STM)を結合させた装置によって、重い電子系化合物の薄膜において初めてのトンネル分光測定を実現する．これによりバルク劈開面よりも詳細なトポグラフ像とスペクトラム観測を行い、近藤混成ギャップと超伝導ギャップの明瞭な観測を実現する．更に、MBE法の特徴を活かしてCeCoIn5に微量なLa元素を不純物として人工的に導入し、制御された不純物周りでの近藤ホールの観測を行なう．

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Karlsruhe Institute of Technology
• [国際共同研究] Bristol University/University of Oxford(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Bristol University/University of Oxford
• [国際共同研究] LNCMI-Grenoble/LNCMI-Toulouse(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LNCMI-Grenoble/LNCMI-Toulouse
• [国際共同研究] Technion-Israel Institute of Technology(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: Technion-Israel Institute of Technology
• [国際共同研究] National High Field Laboratory/Florida State University/University of Califorina San Diego(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National High Field Laboratory/Florida State University/University of Califorina San Diego
  • 他の機関数: 3
• [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] Local Characterization of Superconductivity in BaFe2(As1-xPx)2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Lamhot, A. Yagil, N. Shapira, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and O. M. Auslaender
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 ページ: 060504(R)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.060504
  • 査読あり / 国際共著
• [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/PhysRevLett.114.047001
  • 査読あり / 国際共著
• [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] 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] Anisotropy of the Superconducting Gap in the Iron-Based Superconductor BaFe2(As1-xPx)2 (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshida, S. Ideta, T. Shimojima, W. Malaeb, K. Shinada, H. Suzuki, I. Nishi, A. Fujimori, K. Ishizaka, S. Shin, Y. Nakashima, H. Anzai, M. Arita, A. Ino, H. Namatame, M. Taniguchi, H. Kumigashira, K. Ono, S. Kasahara, T. Shibauchi, T. Terashima, Y. Matsuda, et al.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 7292
  • DOI: 10.1038/srep07292
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Field-Induced Superconducting Phase of FeSe in the BCS-BEC Cross-over (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. Löhneysen, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 111 ページ: 16309-16313
  • DOI: 10.1073/pnas.1413477111
  • 査読あり / 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] Imaging the two-component nature of Dirac–Landau levels in the topological surface state of Bi2Se3 (2014)
  • 著者名/発表者名: Ying-Shuang Fu, M. Kawamura, K. Igarashi, H. Takagi, T. Hanaguri and T. Sasagawa
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 10 ページ: 815-819
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.014503
  • 国際共著
• [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] Controllable Rashba Spin-Orbit Interaction in Artificially Engineered Superlattices Involving the 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 / 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
• [学会発表] BCS-BEC crossover in iron-based high-TC superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Quantum Criticality: Heavy Fermion Systems and Beyond
  • 発表場所: ヒューストン（アメリカ）
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 走査型トンネル分光の発展と高温超伝導 (2015)
  • 著者名/発表者名: 花栗哲郎
  • 学会等名: 第 62 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] 強相関電子系における電子ネマティック秩序 (2014)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 物性研談話会
  • 発表場所: 東京大学物性研究所（千葉県柏市）
  • 年月日: 2014-12-11
  • 招待講演
• [学会発表] Superconducting gap and quasi-particle interference in FeSe (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Hanaguri
  • 学会等名: 27th International Symposium on Superconductivity
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都江戸川区）
  • 年月日: 2014-11-25 – 2014-11-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superconducting gap and quasi-particle interference in FeSe (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Hanaguri
  • 学会等名: International Symposium on Frontier of Superconductivity Research (IV), STM on Unconventional Superconductors
  • 発表場所: 北京（中国）
  • 年月日: 2014-10-23 – 2014-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FeSeにおけるBCS-BECクロスオーバー領域の超伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 笠原成
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会「多自由度電子状態と電子相関が生み出す新奇超伝導の物理」
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所（京都府京都市）
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-22
  • 招待講演
• [学会発表] FeSe の準粒子干渉と超伝導ギャップ (2014)
  • 著者名/発表者名: 花栗哲郎
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会「多自由度電子状態と電子相関が生み出す新奇超伝導の物理」
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所（京都府京都市）
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-22
  • 招待講演
• [学会発表] Electronic states of FeSe studied by STM/STS (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Hanaguri
  • 学会等名: Research Frontier of Transition-metal Compounds Opened by Advanced Spectroscopies
  • 発表場所: 東北大学金属材料研究所（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2014-09-30 – 2014-10-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Criticality and BCS-BEC Crossover in Iron-Based Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: Takasada Shibauchi
  • 学会等名: KITP Conference on Strong Correlations and Unconventional Superconductivity: Towards a Conceptual Framework
  • 発表場所: サンタバーバラ（アメリカ）
  • 年月日: 2014-09-22 – 2014-09-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STM/STS studies on topological insulators (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Hanaguri
  • 学会等名: The Fall Meeting of the European Materials Research Society
  • 発表場所: ワルシャワ（ポーランド）
  • 年月日: 2014-09-15 – 2014-09-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] URu2Si2の隠れた秩序とエキゾチック超伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Criticality in Iron Pnictide Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: Takasada Shibauchi
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: ブエノスアイレス（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopyon FeSe single crystals (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Hanaguri
  • 学会等名: The Beijing International Workshop (II) on Iron-Based Superconductors
  • 発表場所: 北京（中国）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 反強磁性量子臨界揺らぎと超伝導 (2014)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 東北大金研ワークショップ「多自由度が協奏する分子システムの科学」
  • 発表場所: 東北大学金属材料研究所（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2014-07-18 – 2014-07-20
  • 招待講演
• [学会発表] Lecture on Iron-based superconductors, I-III (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Boulder School 2014: Modern Aspects of Superconductivity
  • 発表場所: ボルダー（アメリカ）
  • 年月日: 2014-07-13 – 2014-07-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superconductivity in FeSe with Extremely Small Fermi Energy (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Kasahara
  • 学会等名: Energy Materials Nanotechnology (EMN) Workshop on Iron and Iridium based Superconductivity
  • 発表場所: カンクン（メキシコ）
  • 年月日: 2014-07-09 – 2014-07-12
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Criticality and Unconventional Superconductivity in Iron-Pnictides' (2014)
  • 著者名/発表者名: Takasada Shibauchi
  • 学会等名: Symposium on "New Horizon of Strongly Correlated Physics" (NHSCP2014)
  • 発表場所: 東京大学物性研究所（千葉県柏市）
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Symmetry Breaking in the Hidden-Order Phase of URu2Si2 (2014)
  • 著者名/発表者名: Takasada Shibauchi
  • 学会等名: REIMEI Workshop on "Electronic state of URu2Si2 and related systems"
  • 発表場所: ＪＡＥＡ（茨城県東海村）
  • 年月日: 2014-06-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic Nematicity in Iron-Pnictide and Heavy Fermion Compound (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Matsuda
  • 学会等名: Gordon Research Conference on “Correlated Electron Systems: Textures, Topology, and Strong Interactions”
  • 発表場所: サウスハドリー（アメリカ）
  • 年月日: 2014-06-22 – 2014-06-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Superconducting Order Parameter in Iron-Pnictides (2014)
  • 著者名/発表者名: Takasada Shibauchi
  • 学会等名: International Conferences on Modern Materials and Technologies (CIMTEC 2014), 7th International Conference on Science and Engineering of Novel Superconductors
  • 発表場所: モンテカティーニ・テルメ（イタリア）
  • 年月日: 2014-06-16 – 2014-06-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superconducting Gap and Quasi-Particle Interference in FeSe (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Hanaguri
  • 学会等名: The 4th International Conference of Superconductivity and Magnetism
  • 発表場所: アンタルヤ（トルコ）
  • 年月日: 2014-04-27 – 2014-05-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 京都大学量子凝縮物性研究室
  • URL: http://kotai2.scphys.kyoto-u.ac.jp/