ネルンスト係数測定による強相関電子系の特異な電子状態の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J01133
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 山下 卓也 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 熱電係数 / 熱伝導 / 重い電子系 / 幾何学的フラストレーション / 強相関電子系 / 超伝導 / 物性実験

Outline of Annual Research Achievements

当該年度は、重い電子系超伝導体URu2Si2の超純良単結晶試料(RRR = 620, 1080)を用い、電子状態の変化に敏感な測定手法であるネルンスト係数測定を行った。その結果、超伝導転移温度(Tsc = 1.5 K)よりも3倍程度高い温度から、ネルンスト係数が急激に増大することがわかった。これは超伝導揺らぎによるものであると考えられる。また、この超伝導揺らぎに起因したネルンスト係数の増大は、試料の純良性が増すほど顕著に現れた。これは、超伝導体においてこれまで観測されてきた実験結果と定性的に異なる結果である。さらに、ペルチェ係数の大きさは、従来の超伝導体をよく説明する、ガウス型超伝導揺らぎの理論から予想される値の100万倍に達することもわかった。URu2Si2では時間反転対称性の破れたカイラルd波超伝導が実現していると考えられており、本研究で観測された異常なネルンスト効果は、このカイラル超伝導を基にした最近の理論によりうまく説明することができる。以上のことから、本研究の結果は、時間反転対称性の破れた超伝導に特有なBerry位相の揺らぎを観測したものであることが示唆される。
また、本研究員は、量子スピンアイスYb2Ti2O7の熱伝導率測定も行った。その結果、スピン液体状態が実現する温度領域で、熱伝導率が非単調な磁場依存性を示した。この非単調な振る舞いは、高磁場領域はスピン-フォノン散乱の機構でよく説明できるが、ゼロ磁場近傍での熱伝導率の減少はこの機構では説明できず、磁気モノポール励起が原因であることがわかった。また、磁気モノポールのエネルギーギャップを見積もると1 K程度となり、古典モノポールの場合のエネルギーギャップ2Jzz = 4 Kと比べ、強く抑制されている。これは量子揺らぎの効果で、磁気モノポールがバンド分散を形成したことが原因であると示唆される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度は、重い電子系超伝導体URu2Si2におけるネルンスト係数測定を行い、巨大なネルンスト係数を観測した。URu2Si2ではカイラルd波超伝導が実現していると考えられており、本研究の結果は、時間反転対称性の破れた超伝導に特有なBerry位相の揺らぎを観測したものであると示唆される。また、量子スピンアイスYb2Ti2O7の熱伝導率測定から、量子モノポールを観測した。これらの結果を、国内外の学会に精力的に参加し発表を行い、論文を投稿した。以上を踏まえると、研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後も熱電係数測定を通して、重い電子系のみならず他の強相関電子系の超伝導揺らぎを議論したい。また現在、比熱測定と熱膨張率測定用のプローブを立ち上げているので、これらを組み合わせて量子臨界点の議論を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Colossal Thermomagnetic Response in the Exotic Superconductor URu2Si2 (2015)
  • Author(s): T. Yamashita, Y. Shimoyama, Y. Haga, T. D. Matsuda, E. Yamamoto, Y. Onuki, H. Sumiyoshi, S. Fujimoto, A. Levchenko, T. Shibauchi, Y. Matsuda
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 11 Pages: 17-20
  • DOI: 10.1038/nphys3170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fermi Surface of IrTe2 in the Valence-Bond State as Determined by Quantum Oscillations (2015)
  • Author(s): 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, A. I. Coldea
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 91 Pages: 121105_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.121105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field-Induced Superconducting Phase of FeSe in the BCS-BEC Crossover (2014)
  • Author(s): 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, Y. Matsuda
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 111 Pages: 16309-16313
  • DOI: 10.1073/pnas.1413477111
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 量子スピンアイスYb2Ti2O7における磁気単極子の熱伝導 (2015)
  • Author(s): 山下卓也
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Coherent heat conduction of quantum monopoles in Yb2Ti2O7 (2015)
  • Author(s): Takuya Yamashita
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] URu2Si2におけるカイラル超伝導 (2014)
  • Author(s): 山下卓也
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所研究会「多自由度と電子相関が生み出す新奇超伝導の物理」
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2014-10-21 – 2014-10-22
• [Presentation] 熱磁気効果によるURu2Si2における超伝導揺らぎの研究 (2014)
  • Author(s): 山下卓也
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Remarks] 京都大学プレスリリース「超伝導ゆらぎによる巨大熱磁気効果の発見」
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2014/141202_1.html