異常な電子-格子相互作用のモデルフリー観測の試み

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26400322
• 研究機関: 関西学院大学
• 研究代表者: 水木 純一郎 関西学院大学, 理工学部, 教授 (90354977)
• 研究分担者: 藤田 全基 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20303894) ; 町田 昌彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主席 (60360434)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 強相関電子系 / 高温超伝導 / 非弾性Ｘ線散乱 / 格子振動 / 電子励起

研究実績の概要

物性や機能発現の主役である格子振動エネルギー領域（100meV以下の低エネルギー領域）での電荷の動的相関、特に電子－格子相互作用の直接観察により銅酸化物高温超伝導体における格子振動の役割を明らかにすることを目的に研究を進めている。2015年度では、La2-xSrxCuO4のｘ＝0.16の純良単結晶の作成に成功し、SPring-8において高分解能Ｘ線非弾性散乱を行った。注目した格子振動は、Cu-O 縦波光学格子振動(LO phonon)で、ゾーン中心からゾーン境界までの分散関係を測定し、Cu-Oボンド伸縮モードが非常に不安定であることを観測した。（振動ピーク幅が非常に広くなった）これは、この格子振動モードの電子ー格子相互作用が他の格子振動モードに比較して異常に大きいことを示唆している。今後の予定としては、中性子非弾性散乱でCu-Oボンド伸縮モードを測定し、Ｘ線のそれと比較することにより異常な電子－格子相互作用の存在を確定する。（2015年度に実験予定であったが、J-PARCの事故により運転されず、実験は2016年度に予定されている。）
その他の強相関電子系の超伝導発現機構解明を目指した高圧下Ｘ線非弾性散乱実験も行い、高圧下で新たに出現する超伝導相と電子状態との相関を議論し数編の論文にまとめた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

純良単結晶の作製、それを利用した非弾性Ｘ線散乱によるCu-O縦波光学格子振動の分散関係測定は予定通り進み、データ解析も順調に進んでいる。しかし、予定していなかったJ-PARCの再度にわたる事故により予定されていた実験を実行することができず、そのため、中性子非弾性散乱によるＸ線で測定した同じ格子振動の観測に関しては予定より遅れている。しかし、現在は当初より低いパワーではあるがJ-PARCは稼働しており、次年度に実験が予定されている。

今後の研究の推進方策

秋のJ-PARCでの中性子非弾性散乱実験により、銅酸化物高温超伝導体La2-xSrxCoO4, x=0.16のCu-O縦波光学格子振動の運動量依存性を測定し、すでに測定が終わっている非弾性Ｘ線散乱のそれと比較する。特に、Cu-Oボンド伸縮モードのスペクトル幅、エネルギー値を比較する。これは、格子振動の衣を引きずった低エネルギー領域での電子自由度秩序の揺らぎの異常な振る舞いを理論モデルに頼ることなく直接観測するものである。他のエキゾチック高温超伝導体として注目されている鉄系超伝導体の研究も続ける。特に、高圧下での特異な振る舞いに注目し、高圧下で新たに出現する超伝導相の構造と電子状態、磁気状態に関する情報を高圧下Ｘ線回折・共鳴非弾性散乱によって取得し、鉄系超伝導体の超伝導発現機構に新しい情報を提供する。

次年度使用額が生じた理由

実験を予定していた東海村にある中性子散乱施設J-PARCの事故のため、すべてのマシンタイムがキャンセルとなり実験ができなかった。そのため、東海村への実験旅費や、実験のための準備、共同研究者との討論会に予定してた旅費の執行ができなかった。

次年度使用額の使用計画

J-PARCは事故、故障から回復し、今年度の秋にマシンタイムが割り振られた。実験のため準備や、実験計画を共同研究者と討論するための、東海村、仙台出張する。実験にかかわる人数は、私を含め5人でり、人数分の旅費が必要となる。また、最終年度でもあり、論文として出版することを計画しており、そのための費用が必要となる。

研究成果

• [雑誌論文] Development of the compact furnace for the in-situ observation under ultra-high temperature by synchrotron x-ray surface diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, Y. Kutsuma, D. Dohjima, K. Ohwadad,T.Inami, N. Ohtani, T. Kaneko and J. Mizuki
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: 858 ページ: 505-508
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.858.505
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative study of the f occupation in CeMIn5 and other cerium compounds with hard X-rays (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Sundermann, F. Strigari, T. Willers, J. Weinen, Y.F. Liao, K.-D. Tsuei, N. Hiraoka, H. Ishii, H. Yamaoka, J. Mizuki, Y. Zekko, E.D. Bauer, J.L. Sarrao, J.D. Thompson, P. Lejay, Y. Muro, K. Yutani, T. Takabatake, A. Tanaka, N. Hollmann, L.H. Tjeng, A. Severing
  • 雑誌名: J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 209 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2016.02.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Roles of transition metals interchanging with Lithium in electrode materials (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kawaguchi, K. Fukuda, K. Tokuda, M. Sakaida, T. Ichitsubo, M. Oishi, J. Mizuki and E. Matsubara.
  • 雑誌名: Phys. Chemistry Chemical Physics 巻: 17 ページ: 14064-14070
  • DOI: 10.1039/c5cp00940e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Negative correlation between electrical response and domain size in a Ti-composition-gradient Pb[(Mg1/3Nb2/3)1-xTix]O3 crystal near the morphotropic phase boundary (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Shimizu, S. Tsukada. M. Matsuura,J. Sakamoto, S. Kojima, K. Namikawa,J. Mizuki, K. Ohwada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 17412 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.174121
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure and temperature dependence of the Ce valence and c-f hybridization gap in CeTIn5(T=Co,Rh,Ir)heavy-fermion superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Yamaoka, Y. Yamamoto, E. F. Schwier,F. Honda, Y. Zekko, Y. Ohta, J.-F. Lin, M. Nakatake, H. Iwasawa, M. Arita, K. Shimada, N. Hiraoka, H. Ishii, K.-D. Tsuei, and J. Mizuki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 235110 (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.235110
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 電子及びホールドープされたBaFe2As2の電子状態：X 線発光分光による測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山岡人志, 山本義哉, 吉田雅洋, 石田茂之, 土屋佳則, 竹下 直, Jung-Fu Lin, 平岡 望, 石井啓文, Ku-Ding Tsuei , 水木純一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 高圧下共鳴発光分光による価数搖動物質SmS の電子状態の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木葉、河出直哉、井村敬一郎、山本義哉、山岡人志、平岡望、石井啓文、鈴木博之、水木純一郎、出口和彦、佐藤憲昭
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Influence of Inhomogeneity in the Relaxor Ferroelectrics Pb[(Mg1/3Nb2/3)1-xTix]O3 near Morphotoropic Phase Boundary (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Shimizu, K. Ohwada, S. Tsukada, M. Matsuura, J. Sakamoto, S. Tsutsui, A. Q. R. Baron, K. Namikawa, J. Mizuki
  • 学会等名: 日本MRS Meeting
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館他（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2015-12-08 – 2015-12-10
• [学会発表] Electronic and crystal structures of KxFe2-ySe2 under high pressure studied by x-ray emission spectroscopy and x-ray diffraction (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamamoto, H. Yamaoka, Y. Ohta, J.-F. Lin, H. Ishii, N. Hiraoka, K.-D. Tsuei, H. Fujita, T. Kagayama, K. Shimizu, M. Tanaka, H. Okazaki, Y. Ozaki, Y. Takano, and J. Mizuki,
  • 学会等名: The 9th International Conference on Inelastic X-ray Scattring
  • 発表場所: National Sychrotron Radiateon Center, Hsinchu, Taiwan
  • 年月日: 2015-11-22 – 2015-11-26
  • 国際学会
• [学会発表] 鉄系超伝導体LaFeAsO1-xHxの高圧下でのX線回折とFe KβX線発光分光測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本義哉，山岡人志，吉田雅洋，太田雄，石井啓文，平岡 望，Ku-Ding Tsuei，Jung-Fu Lin，石井賢司，山浦淳一，飯村壮史，松石聡，細野秀雄，水木純一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 異常な磁気抵抗を示す(Na1-xCax)Cr2O4の光電子分光、X線吸収分光、X線回折による電子構造と結晶構造の測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山岡人志, 山本義哉, E. F. Schwier , 仲武昌史, 澤田正博, 櫻井裕也, 辻井直人, 有田将司, 島田賢也, 生天目博文, 谷口雅樹, 水木純一郎,
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Cubic YbCu5系化合物の高圧下におけるYb価数の異常な振舞い (2015)
  • 著者名/発表者名: 山岡人志、辻井直人、鈴木通人、山本義哉、Ignace Jarrige , 佐藤 仁, Jung-Fu Lin , 水戸 毅, 櫻井裕也、平岡 望, 石井啓文, Ku-Ding Tsuei , 酒井 治, 水木純一郎, M. Giovannini, E. Bauer,
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19