結晶の空間反転対称性に着目した強相関化合物の超高圧下における新奇量子現象の探索

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05156
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 本多 史憲 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (90391268)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青木 大 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30359541)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 圧力下物性測定 / ウラン化合物 / 希土類化合物 / 非対称スピン-軌道相互作用 / 超伝導 / 磁性体

Outline of Annual Research Achievements

f電子を持つ希土類・アクチノイド化合物は，磁気秩序や異方的超伝導など特色ある量子物性の宝庫である.本研究課題では，結晶構造に空間反転対称性がない物質，幾何学的フラストレーションを持つ構造など特徴的な結晶構造をもつ化合物にフォーカスして結晶構造に由来した物性を調べることを目的としている.
本年度はキラルな結晶構造を持つ複雑な反強磁性体Ce5Si4、菱面体晶を持つ超伝導体CeIr3、結晶構造に反転対称性を持たないウラン化合物反強磁性体UIrSi3、希土類化合物で初めて見つかったスキルミオン相候補物質であるEuPtSiなどを中心に、様々な物質の電子状態の研究を極低温、強磁場、高圧力という複合極限環境下において行なってきた。Ce5Si4では結晶構造を反映していると思われる複雑な磁性状態が確認された。またCeIr3の超伝導は基礎物性測定からは従来型のs波による超伝導が示唆されているが、上部臨界磁場の異常な角度依存性などが見られており、非従来型超伝導の可能性も排除できないということがわかった。UIrSi3で見られた非対称なヒステリシスを持つ奇妙なメタ磁性について、ホール効果などの測定を進め、１次相転移から２次相転移へ変わる三重臨界点における電子状態の変化について詳細に調べた。
Eu化合物に関する特筆すべき成果は、EuCu2(Si(x)Ge(1-x))2 での物理的圧力や元素の置換による化学的圧力を加えた場合に、磁気転移温度ははじめ圧力とともに増加するが、他の多くのEu化合物と異なりピークを示した後減少に転じ、消失していった。4f状態が比較的に局在していると考えられるEu化合物においては珍しい現象であり、CeやYb化合物などで見られる遍歴4f電子状態との類似性からも注目される。ただし、EuCu2Ge2の磁気的な量子臨界点における極低温での電気抵抗測定からは超伝導の兆候は見られていない。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

結晶構造に反転対称性を持たないUIrSi3の単結晶育成に成功したが、非対称なヒステリシスを示す奇妙なメタ磁性の解明のためのUIrSi3の磁気構造の決定はとても重要である。2018年度にフランスのラウエランジュバン研究所で中性子回折実験を行う予定であったが、課題採択時期の関係で、この実験が2019年度以降にずれ込むことになった。また作成したUIrSi3の純良単結晶について奇妙なメタ磁性やフェルミ面の性質の解明のため量子振動測定などさらなる実験が必要であるが、実験施設のマシンタイムの関係やウラン試料の国家間の移送手続きに時間がかかり、実験を行う日程が2019年度になった。
また新たに見つかったウラン化合物の新奇超伝導体UTe2の超伝導機構の解明は急務であるが、極低温、強磁場、高圧力のいわゆる複合極限環境下での実験が必要である。これらの実験は多大な時間が必要であるため本プロジェクトの分担者や研究協力者、国際共同研究により効率的に進めている。
さらに反転対称性を持たない超伝導体LaNiC2のミクロ物性研究(臨界磁場, μSR)も年度内に行う予定であったが多量の単結晶試料の作成が必要となった。上記のようなことから研究期間の延長を申請している。

Strategy for Future Research Activity

UIrSi3の電子状態の解明のため低温、磁場下における中性子回折実験、量子振動実験を行う。現在、国内の研究炉は停止中であり、大強度陽子加速器施設(J-Parc)はウラン化合物の取扱許可がないことから国内でウラン化合物の中性子回折実験を行うことはできない。これによりフランスのラウエ=ランジュバン研究所の研究炉での中性子回折実験を行う予定である。UIrSi3の量子振動測定はフランス国立強磁場研究所のI. Sheikin主任研究員とフランスGrenobleの強磁場施設(LNCMI-G)で行う予定であるが、まずはドイツのDresdenにある強磁場研究所Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)で予備実験を行うこととした。ここで現在の単結晶試料により量子振動が観測されればより強磁場を用いることのできるLNCMI-Gでフェルミ面の詳細について研究を行い、大きなスピン軌道相互作用を持つウラン化合物の反転対称性欠如によるフェルミ面の分裂について明らかにする。
また、新奇超伝導体UTe2の超伝導相図やスピン三重項超伝導のメカニズムを明らかにするため、強磁場・高圧下における物性実験を進めていく。強磁場実験は、海外の強磁場施設HZDR、LNCMI-G、フランスToulouseの強磁場施設LNCMI-T、と国内の東京大学物性研究所、及び東北大学金属材料研究所の強磁場施設にて、また圧力下実験はフランスGrenobleのフランス原子力庁と東北大学金属材料研究所において申請者が主導して研究を進めていく。

Causes of Carryover

結晶構造に反転対称性を持たないUIrSi3の単結晶育成に成功し、物性測定や中性子回折実験を行なっているが、非対称なヒステリシスを示す奇妙なメタ磁性の解明のため追加実験などが必要となっている。また反転対称性を持たない超伝導体LaNiC2のμSR実験をカナダの加速器施設(TRIUMF)、中性子小角散乱実験をドイツの中性子研究施設(FMR-II)などで行う予定である。
また純良単結晶育成や圧力下物性測定を続け、特殊な結晶構造に起因する新奇な物性を丹念に調べていく。
これらの実験やその解析のための研究打ち合わせ、結果の学会発表、論文執筆のため次年度使用額が生じた。 実験に使用する原材料や、圧力発生装置の消耗品、実験や学会参加のための旅費、論文投稿料などに使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Charles University/Czech Academy of Sciences(チェコ)
  • Country Name: CZECH
  • Counterpart Institution: Charles University/Czech Academy of Sciences
• [Int'l Joint Research] LNCMI/CEA(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: LNCMI/CEA
• [Int'l Joint Research] Max-Planck-Institute(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max-Planck-Institute
• [Int'l Joint Research] Venezuelan Inst. for Sci. Res.(ベネズエラ)
  • Country Name: VENEZUELA
  • Counterpart Institution: Venezuelan Inst. for Sci. Res.
• [Journal Article] Anomalous ferromagnetic ordering in EuCuP (2019)
  • Author(s): Iha Wataru、Kakihana Masashi、Matsuda Shinya、Honda Fuminori、Haga Yoshinori、Takeuchi Tetsuya、Nakashima Miho、Amako Yasushi、Gouchi Jun、Uwatoko Yoshiya、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 788 Pages: 361～366
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.02.213
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Giant Hall Resistivity and Magnetoresistance in Cubic Chiral Antiferromagnet EuPtSi (2018)
  • Author(s): Kakihana Masashi、Aoki Dai、Nakamura Ai、Honda Fuminori、Nakashima Miho、Amako Yasushi、Nakamura Shota、Sakakibara Toshiro、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 023701(1-4)
  • DOI: dx.doi.org/10.7566/JPSJ.87.023701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extended stability range of the non-Fermi liquid phase in UCoAl (2018)
  • Author(s): Havela L、Kolomiets A V、Andreev A V、Griveau J-C、Honda F、Arnold Z
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 30 Pages: 385601～385601
  • DOI: dx.doi.org/10.1088/1361-648X/AADA59
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Easy-plane XY spin fluctuations in the cycloidal magnet UPtGe studied via field-orientation-dependent Pt195 NMR (2018)
  • Author(s): Tokunaga Y.、Nakamura A.、Aoki D.、Shimizu Y.、Homma Y.、Honda F.、Sakai H.、Hattori T.、Kambe S.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Pages: 014425
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.014425
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Properties of Heavy Fermion Compound Ce5Si4 with Chiral Structure (2018)
  • Author(s): Sato Yoshiki J.、Shimizu Yusei、Nakamura Ai、Homma Yoshiya、Li Dexin、Maurya Arvind、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 074701(1-7)
  • DOI: dx.doi.org/10.7566/JPSJ.87.074701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Magnetic Field and Pressure on the Valence-Fluctuating Antiferromagnetic Compound EuPt2Si2 (2018)
  • Author(s): Takeuchi Tetsuya、Yara Tomoyuki、Ashitomi Yousuke、Iha Wataru、Kakihana Masashi、Nakashima Miho、Amako Yasushi、Honda Fuminori、Homma Yoshiya、Aoki Dai、Uwatoko Yoshiya、Kida Takanori、Tahara Time、Hagiwara Masayuki、Haga Yoshinori、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 074709(1-14)
  • DOI: dx.doi.org/10.7566/JPSJ.87.074709
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic States in EuCu2(Ge1-xSix)2 Based on the Doniach Phase Diagram (2018)
  • Author(s): Iha Wataru、Yara Tomoyuki、Ashitomi Yousuke、Kakihana Masashi、Takeuchi Tetsuya、Honda Fuminori、Nakamura Ai、Aoki Dai、Gouchi Jun、Uwatoko Yoshiya、Kida Takanori、Tahara Time、Hagiwara Masayuki、Haga Yoshinori、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 064706(1-14)
  • DOI: dx.doi.org/10.7566/JPSJ.87.064706
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconducting Properties of CeIr3 Single Crystal (2018)
  • Author(s): Sato Yoshiki J.、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Maurya Arvind、Homma Yoshiya、Li Dexin、Honda Fuminori、Aoki Dai
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 053704(1-5)
  • DOI: dx.doi.org/10.7566/JPSJ.87.053704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure-induced valence change and moderate heavy fermion state in Eu-compounds (2018)
  • Author(s): Honda Fuminori、Okauchi Keigo、Sato Yoshiki、Nakamura Ai、Akamine Hiromu、Ashitomi Yosuke、Hedo Masato、Nakama Takao、Takeuchi Tetsuya、Valenta Jaroslav、Prchal Jiri、Sechovsky Vladimir、Aoki Dai、Onuki Yoshichika
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 182～191
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.09.094
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic properties and effect of pressure on the electronic state of EuCo2Ge2 (2018)
  • Author(s): Ashitomi Y.、Kakihana M.、Honda F.、Nakamura A.、Aoki D.、Uwatoko Y.、Nakashima M.、Amako Y.、Takeuchi T.、Kida T.、Tahara T.、Hagiwara M.、Haga Y.、Hedo M.、Nakama T.、Onuki Y.
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 192～196
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.09.063
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Splitting Fermi Surfaces and Heavy Electronic States in Non-Centrosymmetric U3Ni3Sn4 (2018)
  • Author(s): Maurya Arvind、Harima Hisatomo、Nakamura Ai、Shimizu Yusei、Homma Yoshiya、Li DeXin、Honda Fuminori、Sato Yoshiki J.、Aoki Dai
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Pages: 044703(1-8)
  • DOI: dx.doi.org/10.7566/JPSJ.87.044703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antiferromagnetism and phase transitions in noncentrosymmetric UIrSi3 (2018)
  • Author(s): Valenta J.、Honda F.、Valiska M.、Opletal P.、Kastil J.、Misek M.、Divis M.、Sandratskii L.、Prchal J.、Sechovsky V.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Pages: 144423 (1-8)
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.144423
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Consecutive magnetic phase diagram of UCoGe-URhGe-UIrGe system (2018)
  • Author(s): Pospisill Jiri、Haga Yoshinori、Miyake Atsushi、Kambe Shinsaku、Tateiwa Naoyuki、Tokunaga Yo、Honda Fuminori、Nakamura Ai、Homma Yoshiya、Tokunaga Masashi、Aoki Dai、Yamamoto Etsuji
  • Journal Title: Physica B: Condensed Matter Volume: 536 Pages: 532～534
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.10.050
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 強磁性体UCu2P2の圧力効果 (2019)
  • Author(s): 北林和真, 本多史憲, 土田真吾, 佐藤芳樹, 李徳新, 仲村愛, 清水悠晴, 本間佳哉, 青木大, Ladislav Havela, Dariusz Kaczorowski
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会(2019年)
• [Presentation] 空間反転対称性が破れた立方晶化合物UPt5の重い電子状態とドハース・ファンアルフェン効果 (2019)
  • Author(s): 佐藤芳樹, 仲村愛, 清水悠晴, Arvind Maurya, 本間佳哉, 李徳新, 本多史憲, 播磨尚朝, 青木大
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会(2019年)
• [Presentation] カイラル反強磁性体EuPtSiの低温物性 (2019)
  • Author(s): 竹内徹也, 垣花将司, 太田譲二, 青木大, 仲村愛, 本多史憲, 中島美帆, 天児寧, 播磨尚朝, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会(2019年)
• [Presentation] EuPtSiのNMRによる研究II (2019)
  • Author(s): 比嘉野乃花, 與儀護, 徳永陽, 服部泰佑, 酒井宏典, 神戸振作, 中島美帆, 本間佳哉, 仲村愛, 清水悠晴, 本多史憲, 青木大, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会(2019年)
• [Presentation] カイラル磁性体EuPtSiのEu-151メスバウアー分光 (II) (2019)
  • Author(s): 本間佳哉, 垣花将司, 徳永陽, 與儀護, 中島美帆, 仲村愛, 清水悠晴, 李徳新, Arvind Maurya, 佐藤芳樹, 本多史憲, 青木大, 天児寧, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会(2019年)
• [Presentation] EuPtSiのNMRによる研究 (2018)
  • Author(s): 比嘉野乃花, 與儀護, 徳永陽, 服部泰佑, 酒井宏典, 神戸振作, 中島美帆, 本間佳哉, 仲村愛, 清水悠晴, 本多史憲, 青木大, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] カイラル磁性体EuPtSiのEu-151メスバウアー分光 (2018)
  • Author(s): 本間佳哉, 垣花将司, 徳永陽, 與儀護, 仲村愛, 清水悠晴, 李徳新, Arvind Maurya, 佐藤芳樹, 本多史憲, 青木大, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] EuT2Ge2とEuT2Si2(T：遷移金属)の特異な電子状態II (2018)
  • Author(s): 大貫惇睦, 伊覇航, 松田進弥, 垣花将司, 安次富洋介, 竹内徹也, 本多史憲, 仲村愛, 青木大, 中島美帆, 天児寧, 芳賀芳範, 郷地順, 上床美也, 辺土正人, 仲間隆男
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] CeIr3単結晶の超伝導特性と上部臨界磁場の研究 (2018)
  • Author(s): 佐藤芳樹, 清水悠晴, 仲村愛, Maurya Arvind, 本間佳哉, 李徳新, 本多史憲, 青木大
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 結晶構造に反転対称性を持たないUIrSi3の単結晶育成と磁性 (2018)
  • Author(s): 本多史憲, Valenta Jaroslav, Valiska Michal, Bara Vondrackova, Petr Opletal, Jiri Kastil, Martin Misek, Prchal Jiri, Martin Divis, Leonid Sandratskii, Sechovsky Vladimir
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Investigation of Exotic Electronic Properties on RTX3 Compounds Without Inversion Symmetry in the Crystal Structure (2018)
  • Author(s): Fuminori Honda
  • Organizer: Condensed Matter and Materials Science 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Unusual magnetic properties of non-centrosymmetric compound UIrSi3 (2018)
  • Author(s): F. Honda, J. Valenta, J. Pospisil, M. Valiska, P. Opletal, J. Kastil, M. Misek, M. Divis, L. Sandratski, J. Prchal, V. Sechovsky
  • Organizer: The International Workshop on Dual Nature of f-electrons (IWDN2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single crystal growth and unusual magnetic properties of non-centrosymmetric compound UIrSi3 (2018)
  • Author(s): Honda, Fuminori; Valenta, Jaroslav; Pospisil, Jiri; Valiska, Michal; Opletal, Petr; Kastil, Jiri; Misek, Martin; Divis, Martin; Sandratski, Leonid; Prchal, Jiri; Sechovsky, Vladimir
  • Organizer: 2018 International Conference on Magnetism (ICM2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single crystal growth and magnetic properties of non-centrosymmetric compound UIrSi3 (2018)
  • Author(s): Fuminori Honda, Jirka Pospisil, Jaroslav Valenta, Michal Valiska, Petr Opletal, Jirka Kastil, Martin Misek, Martin Divis, Leonid Sandratskii, Jirka Prchal, and Vladimir Sechovsky
  • Organizer: J-Physics 2018
  • Int'l Joint Research