Coupling between unconventional quantum-critical fluctuations and superconductivity in layered superconductors

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03693
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 青木 勇二 首都大学東京, 理工学研究科, 教授 (20231772)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: BiS2系超伝導体 / ファンデルワールス積層構造 / 空間反転対称性の破れ / スピン軌道結合

Outline of Annual Research Achievements

BiS2 系層状超伝導体の純良単結晶を用いた物性測定を進めた。Pr系では、Pr4f電子の磁気異方性がキャリア密度に大きく依存し、キャリア密度の増大とともに異方性が消失していく振る舞いを見出した。La系では、精密に磁場方向を制御した磁場中電気抵抗測定を香港中文大学グループと行い、超伝導の磁気異方性を明らかにした。コヒーレンス長が約20倍の異方性を持つこと、面内上部臨界磁場がPauli限界磁場を超えること（局所的空間反転対称性が破れたBiの6p電子に働く強いスピン軌道結合に起因）、波数空間内で超伝導ギャップの大きさが異方性を持つこと（上部臨界磁場の異常な温度依存性より）、などを明らかにした。Eu3Bi2S4F4では、初めての単結晶育成に成功した。2.2 K以下の反強磁性状態でメタ磁性異常を見出し、Eu秩序磁気モーメントがz軸方向を向いていることを初めて明らかにした。
また、育成した純良単結晶試料を用いて、国内外の研究グループと多面的な共同研究を進めた。空間分解ARPES測定により、CeOBiS2の欠陥近傍に金属的領域が形成されていることを見出した。この局所的金属化は、欠陥によるBiS2層の局所的対称性の破れとCe価数のズレが協調し、自己キャリアドープが起こったものと理解できる。
さらに、BiS2系と同様にファンデルワールス積層構造を持つワイル半金属WTe2へと研究を発展させた。残留抵抗比が1300以上に達する世界最高レベルの高純度単結晶育成に成功した。低温9Tの磁場中で1,500,000%もの巨大磁気抵抗効果を示すことを確認した。電子輸送効果の精密測定を行い、3 K以下の低磁場領域でHall抵抗が正へと符号反転していることを発見した。電子と正孔の移動度が、互いに異なる特異な温度依存性を持つことを示唆しており、本系のトポロジカル電子状態を究明する上で重要な特徴であると考えられる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Remarks

新規超伝導体の母物質CeOBiS2における非従来型の量子臨界的挙動を紹介。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ローマ・ラ・サピエンツァ大学/Elettra, Sincrotrone Trieste(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: ローマ・ラ・サピエンツァ大学/Elettra, Sincrotrone Trieste
• [Int'l Joint Research] The Chinese University of Hong Kong(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: The Chinese University of Hong Kong
• [Int'l Joint Research] Universidade Federal do ABC (UFABC)(ブラジル)
  • Country Name: BRAZIL
  • Counterpart Institution: Universidade Federal do ABC (UFABC)
• [Journal Article] Metallic phase in stoichiometric CeOBiS2 revealed by space-resolved ARPES (2018)
  • Author(s): Sugimoto T.、Paris E.、Wakita T.、Terashima K.、Yokoya T.、Barinov A.、Kajitani J.、Higashinaka R.、Matsuda T. D.、Aoki Y.、Mizokawa T.、Saini N. L.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 2011[5 pages]
  • DOI: 10.1038/s41598-018-20351-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconductivity in Cage Compounds LaTr2Al20 with Tr = Ti, V, Nb, and Ta (2018)
  • Author(s): Yamada Akira、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 033707[5 Pages]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.033707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anisotropic two-gap superconductivity and the absence of a Pauli paramagnetic limit in single-crystalline LaO0.5F0.5BiS2 (2018)
  • Author(s): Chan Y. C.、Yip K. Y.、Cheung Y. W.、Chan Y. T.、Niu Q.、Kajitani J.、Higashinaka R.、Matsuda T. D.、Yanase Y.、Aoki Y.、Lai K. T.、Goh Swee K.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Pages: 104509[6 pages]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.104509
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous magnetotransport properties of high-quality single crystals of Weyl semimetal WTe 2 : Sign change of Hall resistivity (2018)
  • Author(s): Jha Rajveer、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Ribeiro Raquel A.、Aoki Yuji
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 68～71
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.09.077
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single crystal growth and physical properties of BiS 2 -layered compound Eu 3 Bi 2 S 4 F 4 (2018)
  • Author(s): Higashinaka Ryuji、Endo Hideaki、Kajitani Joe、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 824～826
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.09.092
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intrinsic Phase Diagram of Superconductivity in the BiCh2-Based System Without In-Plane Disorder (2017)
  • Author(s): Nagasaka Kouhei、Nishida Atsuhiro、Jha Rajveer、Kajitani Joe、Miura Osuke、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Usui Hidetomo、Kuroki Kazuhiko、Mizuguchi Yoshikazu
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Pages: 074701[6 Pages]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.074701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low Curie temperature ferromagnetic phase in SmPt2Cd20 possibly accompanied by strong quantum fluctuations (2017)
  • Author(s): Yamada Akira、Oike Shota、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Pages: 085102[5pages]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.085102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antiferroquadrupolar Ordering in Quadrupolar Kondo Lattice of Non-Kramers System PrTa2Al20 (2017)
  • Author(s): Higashinaka Ryuji、Nakama Akihiro、Miyazaki Ryoichi、Yamaura Jun-ichi、Sato Hideyuki、Aoki Yuji
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Pages: 103703[5 Pages]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.103703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SnAs-Based Layered Superconductor NaSn2As2 (2017)
  • Author(s): Goto Yosuke、Yamada Akira、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Mizuguchi Yoshikazu
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Pages: 123701[4 Pages]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.123701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Unconventional 4f-electron magnetism in Ln(O,F)BiS2 layered superconductors (2018)
  • Author(s): Yuji Aoki, Ryuji Higashinaka, and Tatsuma D Matsuda
  • Organizer: The 21st International Conference on Solid Compounds of Transition Elements (SCTE2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 層状超伝導体PrO1-xFxBiS2単結晶の4f 電子磁性と輸送特性 (2018)
  • Author(s): 山本直季, 三田昌明, 浅野卓也, 梶谷丈, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Ln(O1-xFx)BiS2(Ln=Ce,Nd) の磁場中muSR (2018)
  • Author(s): 髭本亘, 伊藤孝, 大嶋浩平, 岡澤赳, 友野大, 三原基嗣, 三田昌明, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] R(O,F)BiS2 のフェルミ面と電荷軌道不安定性 (2018)
  • Author(s): 守田智洋, 岡本陽平, 松澤悠, 溝川貴司, Eike Schwier, 島田賢也, Naurang Saini, 梶谷丈, 東中隆二, 松田 達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Pr(O,F)BiS2 の電子構造と原子価状態 (2018)
  • Author(s): 松澤悠, 黒川輝風, 岡本陽平, 守田智洋, 溝川貴司, E.F.Shwier, 島田賢也, Naurang Saini, 東中隆二, 松田 達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Unconventional magnetic and transport properties of van der Waals layered materials: BiS2-based superconductors and Weyl semimetals (2017)
  • Author(s): Yuji Aoki, Masaaki Mita, Naoki Yamamoto, Shota Onishi, Joe Kajitani, Rajveer Jha, Ryuji Higashinaka, Tatsuma D Matsuda
  • Organizer: European Materials Research Society (E-MRS) 2017 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] LaO1-xFxBiS2 における長周期格子変調のx 依存性 (2017)
  • Author(s): 佐賀山遼子, 佐賀山基, 熊井玲児, 村上洋一, 浅野卓也, 三田昌明, 梶谷丈, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第2017年秋季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるR(O,F)BiS2 のバンド構造 (2017)
  • Author(s): 守田智洋, 岡本陽平, 松澤悠, 溝川貴司, Eike Schwier, 島田賢也, Naurang Saini, 梶谷丈, 東中隆二, 松田 達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第2017年秋季大会
• [Presentation] 光電子分光によるR(O,F)BiS2 の電子状態 (2017)
  • Author(s): 黒川輝風, 松澤悠, 岡本陽平, 守田智洋, 溝川貴司, E. F. Schwier, 島田賢也, Naurang Saini, 梶谷丈, 東中 隆二, 松田達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会第2017年秋季大会
• [Presentation] Non-Fermi-liquid 4f-electron behaviors in Ln(O1-xFx)BiS2 layered superconductors (2017)
  • Author(s): Yuji Aoki, Masaaki Mita, Naoki Yamamoto, Shota Onishi, Joe Kajitani, Ryuji Higashinaka, and Tatsuma D Matsuda
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single crystal growth and physical properties of BiS2-layered compounds: Eu3Bi2S4F4 (2017)
  • Author(s): Ryuji Higashinaka, Hideaki Endo, Jo Kajitani, Tatsuma D Matsuda, and Yuji Aoki
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2017)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究紹介「新規超伝導体の母物質CeOBiS2における量子臨界的挙動」
  • URL: http://denshi-server.phys.se.tmu.ac.jp/research.htm