重い電子系人工超格子を用いた異常電子状態の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J01136
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 綿重 達哉 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: 走査型トンネル顕微鏡 / 分子線エピタキシー法 / 重い電子系 / 鉄系超伝導体 / 強相関電子系 / 準粒子干渉 / BCS-BECクロスオーバー / 物性実験

Outline of Annual Research Achievements

本研究代表者は主に走査型トンネル顕微鏡(STM)および走査型トンネル分光(STS)測定を通して、強相関電子系として盛んな研究が行われている(1)重い電子系化合物および(2)鉄系超伝導体の異常電子物性の研究を行った。
(1)重い電子系化合物においてこれまでSTM測定が行われた研究は報告されているが、いずれもバルク単結晶を用いたものであり、STM測定が可能な清浄表面を得るには大きな困難が伴っていた。そこで我々は、分子線エピタキシー法(MBE)とSTMを組み合わせたシステムの立ち上げを行った。このMBE-STMシステムを用いて、重い電子系超伝導体CeCoIn5のエピタキシャル薄膜を作製し、その原子層レベルに平坦かつ清浄な表面を大気曝露することなくその場観察することに成功した。走査型トンネル顕微鏡(STM)および分光法(STS)を用いた重い電子系薄膜の表面状態のその場観測は世界で初めてのことである。今回立ち上げたシステムは今後重い電子系で大きな問題となっているFFLO状態や近藤ホールおよび2次元近藤格子系の電子状態を調べていくうえで強力なプローブとなる。
(2)研究代表者は鉄系超伝導体FeSeの純良単結晶試料を用いてSTM/STS測定を行った。 FeSeは鉄系超伝導体の中でもっとも単純な結晶構造を持ち、ノードを持つ転移温度が9 Kの超伝導体である。更に他の鉄系超伝導体とは違い構造相転移を起こした直後の磁気転移が低温まで存在しない。本研究の結果として、準粒子干渉測定からFeSeのバンド分散を確認することができ、バンドの底となるフェルミエネルギーと超伝導ギャップのサイズがほぼ同程度となっていることがわかった。これはFeSeがBCS-BECクロスオーバー領域に位置することを示しており、実在する超伝導体でこの状態が実現している物質はこれまでに例がない。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当該年度はMBE-STMシステムの立ち上げを中心として行ってきた。立ち上げたシステムを用いて重い電子系化合物CeCoIn5薄膜の表面状態の観測に成功している。
さらに、鉄系超伝導体FeSeの単結晶においてもSTM/STS測定を行っており、超伝導体としては前例のないBCS-BECクロスオーバー領域に位置する超伝導状態などを見出した。
これらの結果から本課題研究はおおむね順調に進んでいるといえる。

Strategy for Future Research Activity

立ち上げたMBEとSTMを組み合わせたシステムを用い、近藤ホールの研究を行う。具体的にはMBE法でCe1-xYbxCoIn5の薄膜を作製し、近藤ホールが形成されているYb原子周りの電子状態についてSTMを用いて直接観察する。本研究により近藤ホールのミクロな電子状態について明らかにする。
さらにMBEとSTMを組み合わせたシステムをCeCoIn5超薄膜にも応用し、バルク試料では実現不可能な2次元近藤格子系の電子状態の直接観測を行う。具体的には、2次元の重い電子状態において実現されていると考えられているFFLO状態の安定化や2次元近藤格子の電子状態や形成過程について評価を行う。

Remarks

日刊工業新聞（11月4日 13面）および科学新聞（11月21日 1面）に掲載されました。

Research Products

• [Journal Article] Local characterization of superconductivity in BaFe2(As1-xPx)2 (2015)
  • Author(s): Yuval Lamhot, Alon Yagil, Nadav Shapira, Shigeru Kasahara, Tatsuya Watashige, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, Ophir M Auslaender
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 91 Pages: 060504_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.060504
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Controllable Rashba spin-orbit interaction in artificially engineered superlattices involving the heavy-fermion superconductor CeCoIn5 (2014)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Physical Review Letter Volume: 112 Pages: 156404_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.156404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous Fermi surface in FeSe seen by Shubnikov-de Haas oscillation measurements (2014)
  • Author(s): Taichi Terashima, Naoki Kikugawa, Andhika Kiswandhi, Eun-Sang Choi, James S. Brooks, Shigeru Kasahara, Tatsuya Watashige, Hiroaki Ikeda, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, Thomas Wolf, Anna E. Bohmer, Frederic Hardy, Christoph Meingast, Hilbert v. Lohneysen, Michi-To Suzuki, Ryotaro Arita, Shinya Uji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 90 Pages: 144517_1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.144517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field-induced superconducting phase of FeSe in the BCS-BEC cross-over (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. Lohneysenn, 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] 電子線照射により不純物散乱を導入した鉄系超伝導体BaFe2(As1-xPx)2における電子相図 (2015)
  • Author(s): 松浦康平，藏田聡信，水上雄太，M. Konczykowski，綿重達哉，笠原成，松田祐司，芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSeにおけるネマティック感受率測定 (2015)
  • Author(s): 細井優，藏田聡信，松浦康平，小林遼，水上雄太，綿重達哉，笠原成，松田祐司，芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] FeSe純良単結晶における磁気トルク測定 (2015)
  • Author(s): 笠原成，小林遼，下山祐介，綿重達哉，山下卓也，芝内孝禎，松田祐司，Thomas Wolf，Hilbert v. Lohneysen
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 重い電子系化合物CeCoIn5 エピタキシャル薄膜のSTM/STS 測定 (2015)
  • Author(s): 綿重達哉、花岡洋祐、笠原成、笠原裕一、芝内孝禎、寺嶋孝仁、花栗哲郎、松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] FeSeの超伝導ギャップのFriedel振動 (2015)
  • Author(s): 花栗哲郎，綿重達哉，幸坂祐生，岩谷克也，町田理，笠原成，小林遼，芝内孝禎，松田祐司，A. Boehmer，T. Wolf，C. Meingast，H. v. Loehneysen
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Preformed pairing in superconducting FeSe in the BCS-BEC cross-over regime (2015)
  • Author(s): Shigeru Kasahara, Y. Shimoyama, R. Kobayashi, T. Yamashita, T. Watashige, Y. Matsuda, T. Shibauchi, T. Wolf, A. E. Bohmer, F. Hardy, C. Meingast, H. v. Lohneysen
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas (USA)
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] Friedel oscillations of the superconducting gap in FeSe (2015)
  • Author(s): T. Hanaguri, T. Watashige, Y. Kohsaka, K. Iwaya, T. Machida, T. Shibauchi, R. Kobayashi, S. Kasahara, Y. Matsuda, A. Bohmer, T. Wolf, C. Meingast, H. v. Lohneysen
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas (USA)
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] Local characterization of superconductivity in BaFe2(As1-xPx)2 (2015)
  • Author(s): Ophir Auslaender, Yuval Lamhot, Alon Yagil, Nadav Shapira, Shigeru Kasahara, Tatsuya Watashige, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas (USA)
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] FeSeのSdH振動 (2014)
  • Author(s): 寺嶋太一，菊川直樹，Andhika Kiswandhi，Eun-Sang Choi，James S. Brooks，笠原成，綿重達哉，池田浩章，芝内孝禎，松田祐司，Thomas Wolf，Anna E. Bohmer，Frederic Hardy，Christoph Meingast，Hilbert v. L ohneysen，宇治進也
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 春日井キャンパス (愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSeの純良単結晶を用いた電気抵抗および常磁性帯磁率測定 (2014)
  • Author(s): 小林遼，綿重達哉，笠原成，T. Wolf，H. v. Lohneysen，池田浩章，芝内孝禎，松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 春日井キャンパス (愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] FeSeのネルンスト効果の観測 (2014)
  • Author(s): 下山祐介，山下卓也，遠藤僚太，綿重達哉，笠原成，小林遼，T. Wolf，H. v. Lohneysen，芝内孝禎，松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 春日井キャンパス (愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] FeSe純良単結晶におけるパルス強磁場測定 (2014)
  • Author(s): 笠原成，山下卓也，下山祐介，綿重達哉，小林遼，芝内孝禎，松田祐司，William Knafo，Mattew Watoson，Amalia Coldea，Frederic Hardy，Christoph Meingast，Thomas Wolf，Hilbert v. Lohneysen
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 春日井キャンパス (愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] STM/STSで見たFeSeの渦糸芯における量子効果 (2014)
  • Author(s): 花栗哲郎，綿重達哉，幸坂祐生，岩谷克也，付英双，町田理，笠原成，渡辺大樹，水上雄太，三上拓也，川本雄太，蔵田聡，芝内孝禎，松田祐司，A. Boehmer，T. Wolf，C. Meingast，H. v. Loehneysen
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学 春日井キャンパス (愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Remarks] 京都大学プレスリリース 「「ボース・アインシュタイン凝縮に最も近い超伝導状態」を発見」
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2014/141104_2.html