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2016 年度 実績報告書

重い電子の人工制御

研究課題

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, 理学研究科, 教授 (50199816)

研究分担者 芝内 孝禎  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
笠原 成  京都大学, 理学研究科, 助教 (10425556)
花栗 哲郎  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (40251326)
寺嶋 孝仁  京都大学, 理学研究科, 教授 (40252506)
研究期間 (年度) 2013-05-31 – 2018-03-31
キーワード重い電子系 / 超伝導 / 人工超格子 / 量子臨界 / 2次元 / スピン密度波 / BCS-BECクロスオーバー / 量子スピン系
研究実績の概要

本年度は、重い電子系超伝導体の人工超格子の量子臨界制御の実験に成功した。CeRhIn5は常圧でスピン密度波転移を示す重い電子系物質であるが、これをf電子を含まない通常金属であるYbRhIn5でサンドウィッチし、原子層の厚みまで薄くすることに成功した。このような系では、スピン密度波転移の温度が厚みを薄くすることに夜2時原価により、減少して行き、3原子層程度の厚みでほぼ消失した。さたに3原子層人工超格子に対し磁場を印加することにより、精密な量子臨界性の制御を行えることを示した。この結果は、Phys. Rev. Lett誌に掲載され、いくつかの国際会議で招待講演になった。また、人工超格子の長文のレビュー "From Kondo Lattices to Kondo Superlattices" を Rep. Prog. Phys.誌に発表した。さらに重い電子系超伝導体CeCoIn5を2種類のことなる化合物YbRhIn5とYbCoIn5でサンドウィッチした、重い電子系トリコロール超格子の作製に初めて成功した。この系では、空間反転対称性をグローバルに破ることが出来、いわゆるラシュバ相互作用を導入できることを、上部臨界磁場の測定から示した。さらにこの系では磁場を面に平行にかけたときに、上部臨界磁場の異常な振る舞いが観測され、これが理論的に予測されていたヘリカル超伝導相の可能性があることを指摘した。またMBEで成長した薄膜のSTM観察にも成功している。
これらとは他に、本年度はFeSe系超伝導体における、高磁場相、超高圧力相、BiS2二次元層を持つ超伝導体に関する研究の他に、パイロクロア構造を持つ量子スピン系酸化物における、極低温婦ピン励起におけるフェトン、モノポール励起の研究でも大きな成果をあげた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の予定であった、バルクでは作製が不可能であった重い電子系化合物の人工超格子の作製に成功し、量子臨界性の人工制御やエキゾチック超伝導の実現に成功した。さらに分子線エピタキシー法(MBE)とトンネル顕微鏡(STM)を結合させた薄膜における研究では、清浄かつ平坦な表面の作製に成功し、STMによる局所的な電子状態の観察にも成功した。これにより、CeCoIn5の非磁性不純物まわりの電子状態の観測に成功しただけでなく、CeをLaに置き換えたいわゆるKondo-Holeの観測にも成功した。Kondo-Holeの観測は世界初の成果である。またSTMにより直接観測された非磁性不純物のまわりの電子状態は、これまで核磁気共鳴等の非常に多くの実験から指摘されていた、電子状態、磁気状態とは大きく異なりこれはこの分野に大きな進展をもたらすものであると考える。
さらに、FeSe系の実験においては、FeSe化合物が、これまでのいかなる超伝導体においても実現できなかったBCS-BECクロスオーバー領域にあることを示すことが出来、これは超伝導全般の分野における大きな発展であると間あげる。
またパイロクロア酸化物では、絶対零度でも量子ゆらぎのためにスピンが秩序化しない量子スピン液体状態が実現している可能性が示唆されていたが、我々は熱伝導測定によりこの系では、量子電磁気学との対応から生じる磁気モノポール励起やフォトン励起が存在することを示した。これらは、スピン系における新しい素励起の発見である。
以上、計画はほぼ順調に進んでいるだけでなく、当初予想しなかった様々な半券をすることが出来、当初の計画以上に進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

今後は、これまでの研究をさらに発展させていくだけでなく、新しい実験にチャレンジしたい。特に、重い電子系超伝導体CeCoIn5とスピン密度波を基底状態として持つ重い電子系化合物CeRhIn5を交互に積層させた、ハイブリッド人工超格子の作製を行い、d波超伝導体とスピン密度波の界面を通じた相互作用の研究を行う。特にこのような薄膜に高圧をかけスピン密度波の量子臨界揺らぎの超伝導に与える影響についての研究を行いたい。さらに、CeCoIn5にNdをドープした系では最近、Q相と呼ばれる超伝導と反強磁性が空間的に共存したエキゾチックな状態が出現することが知られているが、このような系を作製しSTMにより可視化したいと考える。またCeCoIn5を原子層だけ積んだ薄膜においてはトポロジカル超伝導状態の実現が理論的に予想されているが、この検証実験も行いたいと間あげている。
またFeSeの研究では、SeをSにおきかえた系の超伝導状態の研究を継続して行いたい。この系ではネマティック電子状態と超伝導の関係が大きな問題となっているが、Sドープによりネマティシティを変化させることが出来る。我々は特に超伝導ギャップ関数の異方性がS置換によりどのように変わってゆくかを研究したい。
量子スピン液体の実験も引き続き行ってゆきたい。特にキタエフスピン液体状態が実現されると考えられているRuCl3に対して、熱ホール効果の測定を行いマヨラナエッジ電流が存在するかを解明したい。

  • 研究成果

    (33件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 15件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 5件、 謝辞記載あり 14件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 13件、 招待講演 13件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] カールスルーヘ工科大学/ドレスデン強磁場研究所(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      カールスルーヘ工科大学/ドレスデン強磁場研究所
  • [国際共同研究] パリ・ディドゥロ大学(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      パリ・ディドゥロ大学
  • [国際共同研究] ライス大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      ライス大学
  • [国際共同研究] 中国科学院(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院
  • [雑誌論文] Quasiparticle Excitations in the Superconducting State of FeSe Probed by Thermal Hall Conductivity in the Vicinity of the BCS-BEC Crossover2017

    • 著者名/発表者名
      T. Watashige, S. Arsenijevi, T. Yamashita, D. Terazawa, T. Onishi, L. Opherden, S. Kasahara, Y. Tokiwa, Y. Kasahara, T. Shibauchi, H. v. Loehneysen, J. Wosnitza, and Y. Matsuda
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 86 ページ: 014707

    • DOI

      10.7566/JPSJ.86.014707

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Nematic magnetoelastic effect contrasted between Ba(Fe1-xCox)2As2 and FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Hu, X. Ren, R. Zhang, H-q. Luo, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, P. Dai, Y. Zhang, Y. Matsuda, and Y. Li
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 93 ページ: 060504

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.060504

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Possible observation of highly itinerant quantum magnetic monopoles in the frustrated pyrochlore Yb2Ti2O72016

    • 著者名/発表者名
      Y. Tokiwa, T. Yamashita, M. Udagawa, S. Kittaka, T Sakakibara, D. Terazawa, Y. Shimoyama, T. Terashima, Y. Yasui, T. Shibauchi, Y. Matsuda
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 7 ページ: 10807

    • DOI

      doi:10.1038/ncomms10807

    • 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] Fermi surface reconstruction in FeSe under high pressure2016

    • 著者名/発表者名
      T. Terashima, N. Kikugawa, A. Kiswandhi, D. Graf, E.-S. Choi, J. S. Brooks, S. Kasahara, T. Watashige, Y. Matsuda, T. Shibauchi, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen, and S. Uji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 93 ページ: 094505

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.094505

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetotransport study of the pressure-induced antiferromagnetic phase in FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      T. Terashima, N. Kikugawa, S. Kasahara, T. Watashige, Y. Matsuda, T. Shibauchi, a S. Uji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 93 ページ: 180503

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.180503

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Tuning of magnetic quantum criticality in artificial Kondo superlattice CeRhIn5/YbRhIn52016

    • 著者名/発表者名
      T. Ishii, R. Toda, Y. Hanaoka, Y. Tokiwa, M. Shimozawa, Y. Kasahara, R. Endo, T. Terashima, A.H. Nevidomskyy, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 116 ページ: 206401

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.206401

    • 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] From Kondo Lattices to Kondo Superlattices2016

    • 著者名/発表者名
      M. Shimozawa, S.K. Goh, T. Shibauchi, Y. Matsuda
    • 雑誌名

      Report on Progress in Physics

      巻: 79 ページ: 074503

    • DOI

      doi:10.1088/0034-4885/79/7/074503

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Conventional s-Wave Superconductivity in BiS2-Based NdO0.71F0.29BiS2 Revealed by Thermal Transport Measurements2016

    • 著者名/発表者名
      T. Yamashita, Y. Tokiwa, D. Terazawa, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, T. Terashima, Y. Matsuda
    • 雑誌名

      Journal of Physical Society of Japan

      巻: 85 ページ: 073707

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.85.073707

    • 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] Nematic Quantum Critical Point without Magnetism in FeSe1-xSx Superconductors2016

    • 著者名/発表者名
      S. Hosoi, K. Matsuura, K. Ishida, H. Wang, Y. Mizukami, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      巻: 113 ページ: 8139-8143

    • DOI

      doi: 10.1073/pnas.1605806113

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Evolution of Quasiparticle Excitations with Enhanced Electron Correlations in Superconducting AFe2As2 (A = K, Rb, and Cs2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Mizukami, Y. Kawamoto, Y. Shimoyama, S. Kurata, H. Ikeda, T. Wolf, D. A. Zocco, K. Grube, H. v. Lohneysen, Y. Matsuda, and T. Shibauchi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 94 ページ: 024508

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.024508

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Dome-shaped magnetic order competing with high-temperature superconductivity at high pressures in FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      J. P. Sun, K. Matsuura, G. Z. Ye, Y. Mizukami, M. Shimozawa, K. Matsubayashi, M. Yamashita, T. Watashige, S. Kasahara, Y. Matsuda, J.-Q. Yan, B. C. Sales, Y. Uwatoko, J.-G. Cheng, and T. Shibauch
    • 雑誌名

      Nature Communication

      巻: 7 ページ: 12146

    • DOI

      doi:10.1038/ncomms12146

    • 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] Emergence of Nontrivial Magnetic Excitations in a Spin Liquid State of Kagome Volborthite2016

    • 著者名/発表者名
      D. Watanabe, K. Sugii, M. Shimozawa, Y. Suzuki, T. Yajima, H. Ishikawa, Z. Hiroi, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and M. Yamashita
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      巻: 113 ページ: 8653-8657

    • DOI

      doi: 10.1073/pnas.1524076113

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Charge induced nematicity in FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      P. Massat, D. Farina, I. Paul, S. Karlsson, P. Strobel, P. Toulemonde, M.-A. Measson, M. Cazayous, A. Sacuto, S. Kasahara, T. Shibuachi, Y. Matsuda, Y. Gallais
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      巻: 113 ページ: 9177-9181

    • DOI

      doi: 10.1073/pnas.1606562113

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Diamagnetic Vortex Barrier Stripes in Underdoped BaFe2(As1-xPx)22016

    • 著者名/発表者名
      A. Yagil, Y. Lamhot, A. Almoalem, S. Kasahara, T. Watashige, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and O. M. Auslaender
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 94 ページ: 064510

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.064510

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Giant superconducting fluctuations in the compensated semimetal FeSe at the BCS-BEC crossover2016

    • 著者名/発表者名
      S. Kasahara, T. Yamashita, A. Shi, R. Kobayashi, Y. Shimoyama, T. Watashige, K. Ishida, T. Terashima, T. Wolf, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen, A. Levchenko, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 7 ページ: 12843

    • DOI

      doi:10.1038/ncomms12843

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] BCS-BEC Crossover, Preformed Pairs and Highly Spin Polarized Superconducting Phase in FeSe2017

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      The KITS 2017 Forum: New Horizons in Condensed Matter Physics Mar 27-29, 2017
    • 発表場所
      The Kavli Institute of Theoretical Sciences (KITS), Beijing, China
    • 年月日
      2017-03-27 – 2017-03-29
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] BCS-BEC Crossover, Preformed Pairs and Highly Spin-Polarized Superconducting Phase in FeSe2017

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      The German Physical Society (DPG) Spring Meeting on Condensed Matter Physics
    • 発表場所
      Technische University Dresden, Dresden, Germany
    • 年月日
      2017-03-19 – 2017-03-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fully gapped superconductivity with no sign change in prototypical heavy-fermion CeCu2Si22017

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      The International Conference on Quantum Criticality and Novel Phases (QCNP2017)
    • 発表場所
      Berlin, Germany
    • 年月日
      2017-02-26 – 2017-03-01
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emergent Exotic Superconductivity in Artificially Engineered Kondo Superlattices2017

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      Workshop on Strongly Correlated Materials: Topology and Quantum Phase Transitions
    • 発表場所
      Rice University, Huston, USA
    • 年月日
      2017-01-24 – 2017-01-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Detecting emergent photon and monopoles in quantum spin liquid state2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      EPiQS-TMS Trans-Pacific Conference on Topological Quantum Materials
    • 発表場所
      Moorea, French Polynesia
    • 年月日
      2016-12-03 – 2016-12-08
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fe-based high temperature superconductors2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      Joint KU-VUW Workshop 2016
    • 発表場所
      Victoria University of Wellington, Wellington, New Zealand
    • 年月日
      2016-11-18 – 2016-11-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Low-energy elementary excitations in frustrated quantum magnets probed by thermal and thermal Hall conductivities2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2016 (HFM 2016)
    • 発表場所
      Taipei, Taiwan
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum criticality and exotic superconductivity in artificially engineered Kondo superlattices2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      Quantum Criticality and Topology in Itinerant Electron Systems
    • 発表場所
      Albuquerque, New Mexico, USA
    • 年月日
      2016-08-15 – 2016-08-19
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] BEC crossover, preformed pairs and highly spin polarized superconducting phase in FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS2016)
    • 発表場所
      Stuttgart, Germany
    • 年月日
      2016-06-19 – 2016-06-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fully gapped s-wave pairing of a prototypical heavy-fermion superconductor in the very edge of magnetic instability2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      Strong Correlations and the Normal State of the High Temperature Superconductors
    • 発表場所
      Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, Dresden, Germany
    • 年月日
      2016-05-17 – 2016-05-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] BCS-BEC crossover and giant superconducting fluctuations in FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      The 1st Workshop on Complex Quantum Materials
    • 発表場所
      Fudan University, Shanghai, China
    • 年月日
      2016-05-14 – 2016-05-15
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] From Kondo lattices to Kondo superlattices: exploring the interface between heavy and normal electrons2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Systems (SCES2016)
    • 発表場所
      Zhejiang University, Hangzhou, China
    • 年月日
      2016-05-08 – 2016-05-13
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] BCS-BEC crossover in FeSe2016

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsuda
    • 学会等名
      5th international Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM2016)
    • 発表場所
      Fethiye, Turkey
    • 年月日
      2016-04-24 – 2016-04-30
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 量子凝縮物性研究室

    • URL

      http://kotai2.scphys.kyoto-u.ac.jp/index.php?Top

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公開日: 2018-01-16  

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