近藤絶縁体における中性フェルミオン励起の観測

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01180
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 笠原 裕一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10511941)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊賀 文俊 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (60192473)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 近藤絶縁体 / 中性フェルミオン / トポロジカル物性

Outline of Annual Research Achievements

近年、近藤絶縁体SmB6において本来金属で期待される量子振動現象が観測され、トポロジカル表面状態や中性フェルミオンの存在が指摘されている。本研究で目的とするのは、特に中性フェルミオン励起に着目し、中性フェルミオンを実験的に検出するとともにその非自明な準粒子の示す物性現象を解明することである。我々は近藤絶縁体YbB12において電気抵抗ならびに磁気トルクの量子振動現象を観測した（2018年Science誌）。さらに熱輸送および比熱測定により、絶縁体状態であるにも関わらず金属の特徴である残留比熱および残留熱伝導率を観測した（2019年Nature Physics誌）。これは遍歴的な中性フェルミオン励起の証拠を与えるものである。
YbB12は強磁場中で絶縁体から金属へと転移するが、磁場誘起金属状態の解明は量子振動や中性粒子の起源を明らかにする上で重要な鍵となる。そこで我々は精密電気抵抗測定を75 Tまでの強磁場中で行った。その結果、絶縁体と金属の両方の状態において量子振動を観測した。量子振動の振動周期や振幅の詳細な解析から、絶縁体と金属の両方の状態において電荷中性の粒子が量子振動を引き起こしていることを明らかにした。さらに金属状態においては中性粒子と電子が共存した前例のない特異な電子状態が実現していることを示した。今回の発見は、中性粒子がフェルミ面を持つという新しい状態を明らかにしたものである。
さらに反強磁性を示す近藤絶縁体YbIr3Si7の研究を行い、中性フェルミオン励起の存在を明らかにするとともに、スピン・フロップ転移に伴い中性フェルミオンの励起スペクトルにギャップが開くことが明らかとなった。これは中性フェルミ粒子とスピンが強く結合していること示すものである。
また、微細加工を施したYbB12における電気抵抗測定により、トポロジカル表面金属状態に伴う負の磁気抵抗を観測した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Michigan/Los Alamos National Laboratory/Rice University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Michigan/Los Alamos National Laboratory/Rice University
  • # of Other Institutions: 1
• [Journal Article] Unusual high-field metal in a Kondo insulator (2021)
  • Author(s): Z. Xiang, L. Chen, K.-W. Chen, C. Tinsman, Y. Sato, T. Asaba, H. Lu, Y. Kasahara, M. Jaime, F. Balakirev, F. Iga, Y. Matsuda, J. Singleton, L. Li
  • Journal Title: Nature Physics Volume: ー Pages: ー
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01216-0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bond Directional Anapole Order in a Spin-Orbit Coupled Mott Insulator Sr2(Ir1－xRhx)O4 (2021)
  • Author(s): H. Murayama, K. Ishida, R. Kurihara, T. Ono, Y. Sato, Y. Kasahara, H. Watanabe, Y. Yanase, G. Cao, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and S. Kasahara
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 11 Pages: 011021
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Presence and absence of itinerant gapless excitations in the quantum spin liquid candidate EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2 (2021)
  • Author(s): M. Yamashita, Y. Sato, T. Tominaga, Y. Kasahara, S. Kasahara, H. Cui, R. Kato, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 140407(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.140407
  • Peer Reviewed
• [Presentation] カゴメ反強磁性体Herbertsmithiteにおける比熱のスケーリング則 (2021)
  • Author(s): 村山陽奈子, 冨永貴弘, 末 次祥大, 笠原成, 笠原裕一, 大熊隆太郎, 廣井善二, 松 田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] SrCu2(BO3)2におけるボゾンのトポロジカル熱ホール効果 (2021)
  • Author(s): 末次祥大, 横井太一, 田中 伊蕗, 笠原裕一, 笠原成, 鐘承超, 戸塚圭介, 影山洋, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] Thermal Hall effect in the pseudogap phase of underdoped cuprates (2021)
  • Author(s): Andre de Oliveira Silva, 笠原成, 村山陽奈子, Neven Barisic, Mario Novak, 芝内孝禎, 笠原裕 一, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] Sr2Ir1-xRhxO4におけるボンド方向型アナポール秩序 (2021)
  • Author(s): 笠原成, 村山陽奈子, 石田 浩祐, 栗原遼, 小野孝浩, 佐藤雄貴, 笠原裕一, 渡邉 光, 柳瀬陽一, G. Cao, 水 上雄太, 芝内孝禎, 松田祐 司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] 近藤絶縁体YbIr3Si7における中性フェルミオンとその磁場誘起不安定性 (2021)
  • Author(s): 佐藤雄貴, 末次祥大, 冨永 貴弘, 笠原裕一, 笠原成, 北川俊作, 石田憲二, Robert Peters, 芝内孝禎, Andriy Nevidomskyy, Long Qian, Jaime Moya, Macy Stavinoha, Emilia Morosan, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] Striking enhancement of upper critical field of d-wave CeCoIn5 with atomic layer thickness (2021)
  • Author(s): 彭浪, 佐野大樹, 高橋敏史, 板東涼, 末次祥大, 笠原成, 寺嶋孝仁, 笠原裕一, 松田 祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] キタエフ量子スピン液体物質α-RuCl3の薄膜作製 (2021)
  • Author(s): 小野孝浩, 井伊崇仁, 武田 海渡, 末次祥大, 笠原成, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田 祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3におけるトポロジカル相転移の探索 (2021)
  • Author(s): 鵜飼柚希, 笠原裕一, 末次 祥大, 村山陽奈子, 栗田伸 之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田 祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会 （2021年）
• [Presentation] Bond directional anapole state in a spin-orbit coupled Mott insulator Sr2(Ir1－xRhx)O4 (2021)
  • Author(s): Hinako Murayama, Kousuke Ishida, Ryo Kurihara, takahiro ono, Yuki Sato, Yuichi Kasahara, Hikaru Watanabe, Youichi Yanase, Gang Cao, Yuta Mizukami, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, Shigeru Kasahara
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gapless neutral fermions in insulating YbIr3Si7 revealed by specific heat and thermal conductivity (2021)
  • Author(s): Yuki Sato, Takahiro Tominaga, Shota Suetsugu, Shigeru Kasahara, Yuichi Kasahara, Robert Peters, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Andriy Nevidomskyy, Long Qian, Jaime Moya, Macy L Stavinoha, Emilia Morosan, Yuji Matsuda
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological thermal Hall effect of strongly interacting bosons in a disordered quantum magnet SrCu2(BO3)2 (2021)
  • Author(s): Shota Suetsugu, Taichi Yokoi, Ibuki Tanaka, Yuichi Kasahara, Shigeru Kasahara, Zhong Chengchao, Keisuke Totsuka, Hiroshi Kageyama, Yuji Matsuda
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect and topological Chern number in the Kitaev material α-RuCl3 (2021)
  • Author(s): Yuichi Kasahara, Taichi Yokoi, Sixiao Ma, Shigeru Kasahara, Takasada Shibauchi, Nobuyuki Kurita, Hidekazu Tanaka, Joji Nasu, Yukitoshi Motome, Ciaran Hickey, Simon Trebst, Yuji Matsuda
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 比熱測定でみた近藤絶縁体YbIr3Si7の低エネルギー励起 (2020)
  • Author(s): 佐藤雄貴, 冨永貴弘, 笠原 成, 笠原裕一, Macy Stavinoha, Emilia Morosan, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 反強磁性相を伴う近藤絶縁体YbIr3Si7の熱伝導率測 (2020)
  • Author(s): 冨永貴弘, 佐藤雄貴, 笠原 成, 笠原裕一, Macy Stavinoha, Emilia Morosan, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] α-RuCl3のキタエフスピン液体状態における半整数異常熱ホール効果 (2020)
  • Author(s): 横井太一, 馬斯嘯, 笠原裕 一, 笠原成, 芝内孝禎, 栗 田伸之, 田中秀数, 那須譲 治, 求幸年, C. Hickey, S. Trebst, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] キタエフ候補物質α-RuCl3原子層膜作 (2020)
  • Author(s): 大湊浩明, 成塚政裕, 横井 太一, 笠原成, 笠原裕一, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] パルスレーザー堆積法によるKitaev候補物質α-RuCl3薄膜の作製 (2020)
  • Author(s): 小野孝浩, 成塚政裕, 井伊 崇仁, 笠原成, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 比熱測定によるFeSeのc軸磁場下における高磁場超伝導相の検証 (2020)
  • Author(s): 鈴木裕貴, 佐藤雄貴, 村山 陽奈子, 笠原成, 笠原裕一, 花栗哲郎, 町田理, 芝内孝 禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 強磁場熱輸送測定によるFeSeのab面内磁場下におけるFFLO超伝導の観 測 (2020)
  • Author(s): 笠原成, 佐藤雄貴, S. Licciardello, M. Culo, S. Arsenijevic, T. Ottenbros, 冨永貴弘, J.Boker, I. Eremin, 芝内孝 禎, J. Wosnitza, F, N. E. Hussey, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Remarks] 電荷中性の粒子がもたらす新しいタイプの金属状態の発見
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-04-16-0