2021 Fiscal Year Annual Research Report
Project Area | Physical Properties of Quantum Liquid Crystals |
Project/Area Number |
19H05823
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Research Institution | Tohoku University |
Principal Investigator |
大串 研也 東北大学, 理学研究科, 教授 (30455331)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永崎 洋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 首席研究員 (20242018)
島川 祐一 京都大学, 化学研究所, 教授 (20372550)
工藤 一貴 大阪大学, 理学研究科, 教授 (40361175)
木村 剛 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (80323525)
岡本 佳比古 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90435636)
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Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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Keywords | 量子液晶 / 超伝導 / 磁性 / 遷移金属化合物 / 新物質開発 |
Outline of Annual Research Achievements |
高圧合成法を駆使することで、キタエフ型量子スピン液体の新しい候補物質となるRuBr3およびRuI3を発見した。RuBr3はTN=35Kで反強磁性秩序を示すモット絶縁体である一方で、RuI3はパウリ常磁性的な振る舞いを示す半金属であることを解明した。これらの物質の固溶体Ru(Cl1-xBrx)3 (x = 0-1)およびRu(Br1-yIy)3 (y = 0 - 1) の電子相図を明らかにした。電気抵抗率から見積もった電荷ギャップは、配位子をCl=>Br=>Iと変えるに従い系統的に小さくなり、y = 0.80 でバンド幅制御型の金属絶縁体転移を示す。ほぼ同組成であるy = 0.80 で空間群がR-3 からP-31c へ変化する構造相転移が生じることが分かった。金属絶縁体転移の近傍であるy = 0.60 - 0.70 では、短距離的な磁気相関が存在するスピン液体的な状態が実現している可能性がある。電子比熱係数は、金属であるRuI3 から金属絶縁体転移の臨界領域であるy = 0.80 近傍に向かって増加しているように見える。これは金属領域から臨界領域に向かって電子の有効質量が増加することを意味しており、Brinkmann-Rice 機構により金属絶縁体転移が生じていると結論できる。
上記に加えて、様々な量子液晶物質の開発に取り組んだ。具体的な実績として、Aサイト秩序型ペロブスカイト型酸化物NdCu3Fe4O12における電荷移動に伴う巨大な潜熱の発見、Ptの三角形を有する CdI2型Pt1+xBi2における転移温度Tc=2.4 Kの超伝導の発見、1次元構造を有するTa2Pd3Te5およびNb2Pd3Te5における超伝導の発見、Bi2CuO4における非相反線二色性の観測と機構解明、Caを含まない100K級銅酸化物超伝導体の発見が挙げられる。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、化学的要因・結晶構造・磁気構造・バンド構造に着目することで、新奇な量子液晶状態が具現する新物質を開発することを目的としている。令和三年度は、新物質開発研究を強力に推進した。室温で量子液晶状態にある物質の機能開拓に関して、重要な成果が挙がった。具体的には、遷移金属カチオンが秩序配列した酸化物NdCu3Fe4O12が、電荷移動に伴う電荷秩序とスピン秩序を起こし、この際の磁気モーメントの変化に伴う磁気エントロピーの変化が大きな潜熱を発生することを明らかにした。電荷転移温度が圧力下で変化することから、この潜熱は圧力熱効果として利用でき、高効率な熱制御を実現できることも実証した。また、数々の新超伝導体の発見にも成功した。これらは、三角格子・一次元構造などのユニークな結晶構造を有する物質、あるいは重元素(Pt, Pd)・Caフリー銅酸化物などの化学的な特徴を有する物質であり、今度のさらなる展開が期待できる。以上のように、当初の計画に沿って、研究活動は順調に進捗している。
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Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き、(a) 化学的要因に着目した量子液晶物質の探索、(b) 結晶構造に着目した量子液晶物質の探索、(c) 磁気構造に着目した量子液晶物質の探索、(d) バンド構造に着目した量子液晶物質の探索、(e) 理論指針に基づき物質開発、(f) 外場による量子液晶の制御を実施する。対象とする物質群は、幾何学的フラストレーションを内包する量子スピン系・強相関効果の卓越した遷移金属酸化物・鉄系高温超伝導体・銅酸化物超伝導体・異常高原子価を有する物質・スピン軌道相互作用の卓越した5d遷移金属化合物・軌道縮退を有する不定比性化合物などである。到達目標は、新奇スピンネマティック秩序・電荷不均化状態・特異な対称性の破れを付随する軌道秩序・方向二色性などのマルチフェロイクス現象・非従来型超伝導・高温超伝導・トポロジカル量子輸送現象などの新奇な量子液晶現象が発現する物質を開発することである。
令和四年度は、前年度まで得られた研究成果をさらに発展させる。例えば、研究代表者のグループで開発した新しい蜂の巣格子系物質の超高圧下電気抵抗率を計測することで、その金属化・超伝導化に挑む。また、磁場印加により巨大な歪が生じる反強磁性体の開発を進め、その磁気ドメイン構造の可視化を推進する。さらに、量子液晶テクノロジーへの展開を見越して、室温付近で巨大な熱量効果・磁歪効果を示す物質の開発を進めるとともに、その発現機構の解明を進める。こうした研究は、班内・班間の共同研究を通して推進する。その情報共有の機会として、第二回量子物質開発フォーラムを開催する。
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Research Products
(54 results)
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[Journal Article] Enhanced Superconductivity in Close Proximity to Polar-Nonpolar Structural Phase Transition in Se/Te-Substituted PtBi22022
Author(s)
K. Takaki, M. Yamamoto, M. Nakajima, T. Takeuchi, H. Y. Nguyen, M. Nohara, Y. Kishioji, T. Fujii, K. Yoshino, S. Miyasaka, and K. Kudo
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Journal Title
Jounal of the Physical Society of Japan
Volume: 91
Pages: 034703/1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] CaCu3Ru4O12: A High Kondo-Temperature Transition Metal Oxide2022
Author(s)
D. Takegami, C. Kuo, K. Kasebayashi, J. Kim, C. Chang, C. Liu, C. Wu, D. Kasinathan, S. Altendorf, K. Hoefer, F. Meneghin, A. Marino, Y. Liao, K. Tsuei, C. Chen, K. Ko, A. Gunther, S. Ebbinghaus, J. Seo, D. Lee, G. Ryu, A. Komarek, S. Sugano, Y. Shimakawa, A. Tanaka, T. Mizokawa, J. Kune, L. Tjeng, and A. Hariki
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Journal Title
Physical Review X
Volume: 12
Pages: 011017/1-12
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Multi-k spin ordering in CaFe3Ti4O12 stabilized by spin-orbit coupling and further-neighbor exchange2021
Author(s)
M. Amano Patino, F. D. Romero, M. Goto, T. Saito, F. Orlandi, P. Manuel, A. Szabo, P. Kayser-Gonzalez, K. H. Hong, K. Alharbi, J. P. Attfield, and Y. Shimakawa
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 3
Pages: 043208/1-8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Strongly Electron-Correlated Semimetal RuI3 with a Layered Honeycomb Structure2021
Author(s)
Kazuhiro Nawa, Yoshinori Imai, Youhei Yamaji, Hideyuki Fujihara,Wakana Yamada, Ryotaro Takahashi, Takumi Hiraoka, Masato Hagihala, Shuki Torii, Takuya Aoyama, Takamasa Ohashi, Yasuhiro Shimizu, Hirotada Gotou, Masayuki Itoh, Kenya Ohgushi, and Taku J. Sato
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Journal Title
Jounal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 123703/1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Superconductivity of centrosymmetric and non-centrosymmetric phases in antiperovskite (Ca,Sr)Pd3P2021
Author(s)
Akira Iyo, Izumi Hase, Hiroshi Fujihisa, Yoshito Gotoh, Nao Takeshita, Shigeyuki Ishida, Hiroki Ninomiya, Yoshiyuki Yoshida, Hiroshi Eisaki, Hishiro T. Hirose, Taichi Terashima, Kenji Kawashima
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Journal Title
Journal of Alloys and Compounds
Volume: 882
Pages: 160733/1-8
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Antiperovskite Superconductor LaPd3P with Noncentrosymmetric Cubic Structure2021
Author(s)
A. Iyo , I. Hase, H. Fujihisa, Y. Gotoh, S. Ishida, H. Ninomiya, Y. Yoshida, H. Eisaki, H. T. Hirose, T. Terashima, and K. Kawashima
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Journal Title
Inorganic Chemistry
Volume: 60
Pages: 18017-18023
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Pressure Induced Spectral Redistribution due to Te2 Dimer Breaking in AuTe22021
Author(s)
D. Ootsuki, H. Okamura, S. Mitsumoto, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, M. Arita, T. Yoshida, K. Kudo, H. Ishii, M, Nohara, and T. Mizokawa
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 114705/1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] State with spontaneously broken time-reversal symmetry above the superconducting phase transition2021
Author(s)
V. Grinenko, D. Weston, F. Caglieris, C. Wuttke, C. Hess, T. Gottschall, I. Maccari, D. Gorbunov, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza, A. Rydh, K. Kihou, C. H. Lee, R. Sarkar, S. Dengre, J. Garaud, A. Charnukha, R. Huhne, K. Nielsch, B. Buchner, H. H. Klauss, and E. Babaev
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 17
Pages: 1254-1259
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Superconductivity-driven ferromagnetism and spin manipulation using vortices in the magnetic superconductor EuRbFe4As42021
Author(s)
Shigeyuki Ishida, Daniel Kagerbauer, Sigrid Holleis, Kazuki Iida, Koji Munakata, Akiko Nakao, Akira Iyo, Hiraku Ogino, Kenji Kawashima, Michael Eisterer, and Hiroshi Eisaki
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
Volume: 118
Pages: e2101101118/1-8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Investigation of the upper critical field in artificially engineered Nb/V/Ta superlattices2021
Author(s)
F. Ando, R. Kawarazaki, M. Naritsuka, Y. Kasahara, Y. Miyasaka, H. Narita, D. Kan, Y. Shiota, T. Moriyama, Y. Shimakawa, Y. Matsudan, and T. Ono
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Journal Title
Japanese Journal of Applied Physics
Volume: 60
Pages: 60902/1-4
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Temperature Dependence of the Local Structure and Iron Magnetic Moment in the Self-Doped CaKFe4As4 Iron-Based Superconductor2021
Author(s)
F. Stramaglia, G. M. Pugliese, L. Tortora, L. Simonelli, C. Marini, W. Olszewski, S. Ishida, A. Iyo, H. Eisaki, T. Mizokawa, and N. L. Saini
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Journal Title
Journal of Physical Chemistry
Volume: 125
Pages: 10810-10816
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ubiquitous suppression of the nodal coherent spectral weight in Bi-based cuprates2021
Author(s)
M. Zonno, F. Boschini, E. Razzoli, S. K. Y. Dufresne, M. Michiardi, M. X. Na, T. M. Pedersen, S. Gorovikov, S. Gonzalez, G. Di Santo, L. Petaccia, M. Schneider, D. Wong, P. Dosanjh, Y. Yoshida, H. Eisaki, R. D. Zhong, J. A. Schneeloch, G. D. Gu, A. K. Mills, S. Zhdanovich, G. Levy, D. J. Jones, and A. Damascelli
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: 155109/1-9
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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