Research の履歴(No.2)

研究内容

　我々の研究室では、強く相互作用しあう電子 -- いわゆる強相関電子系が示す多彩な振る舞いについて、精密実験を通じて研究をしています。特に物質が低温で示す非従来型超伝導や高温超伝導現象、重い電子状態や新奇電子状態、量子臨界現象、量子スピン系などに興味を持ち、物質中の電子が示す新奇現象や状態を開拓・解明することに挑戦しています。

　当研究室の研究は、凝縮系物理学の中でも最先端のトピックスを扱っており、その研究成果は世界的にも注目を集めています。最近の具体的な研究課題は

-- 鉄系高温超伝導体における異常電子状態、及び超伝導対称性の研究

-- 重い電子系化合物の人工制御

-- ウラン系化合物における隠れた秩序相の解明

-- フラストレート系における量子スピン液体での素励起の解明

などです。

　実験は精密物性測定を中心に行い、極低温・強磁場中における電子輸送現象、磁場侵入長、マイクロ波応答、熱伝導率、熱電係数、熱膨張、磁気トルクといった各種のバルク物性測定から、走査トンネル分光法による原子分解能でのスペクトロスコピーまで様々に取り組み、準粒子励起を通じた超伝導対称性の研究や、各種精密測定による電子状態の研究を行っています。また外部研究機関と協力して、放射光X線回折 (SPring-8)や、強磁場施設 (トゥールーズ仏国立強磁場研究所(最大90 T)、ロスアラモス米国立強磁場研究所(最大100 T)、フロリダ米国立強磁場研究所(最大45 T)) などに自分達で出向き、世界最高レベルの実験を自ら行っています。

　物質科学の基礎・基盤である純良単結晶や、自然界には存在しない人工結晶の創出にも力を注いでいます。特に最近では、独自の分子線エピタキシー(MBE)法を用いて1原子層単位で結晶成長を制御し、重い電子系希土類化合物の人工超格子を創製し、自然界には存在しない物質の開発に成功を収めています。

　これらの研究を推進するために、国内外の様々な研究機関の研究者達と交流を持ち、共同研究を強力に進めています。

国内では、
北海道大学、東北大学、東京大学、東京工業大学、お茶の水女子大学、名古屋大学、大阪大学、理化学研究所、日本原子力研究機構、物質・材料研究機構、産業技術総合研究所、

国外では
アメリカ: プリンストン大学、カリフォルニア大学、コーネル大学、ルイジアナ大学、ライス大学、イリノイ大学、アイオワ州立大学、エイムズ研究所、IBMワトソン研究所、ロスアラモス国立研究所、オークリッジ国立研究所、国立強磁場研究所

フランス: エコール・ポリテクニーク、パリ物理化学研究所、グルノーブル国立研究所、トゥールーズ強磁場研究所、ボルドー大学

ドイツ: カールスルーエ工科大学、ドレスデン強磁場研究所、マックス・プランク研究所

スイス: スイス連邦工科大学

イギリス: オックスフォード大学、ブリストル大学、ケンブリッジ大学

といった機関の研究者達と共同研究を行ない、ときには大学院生が数カ月に渡って欧米の研究機関に滞在し、海外の研究者と共同で研究を進めていきます。研究成果は日本物理学会やアメリカ物理学会などでの講演をはじめとして、原著論文としての発表を行っています。下記に幾つかのトピックについて紹介します。

非従来型超伝導における対称性の破れ
様々な新奇超伝導状態
２次元人工超格子超伝導の創成と量子位相制御
非フェルミ流体的な電子輸送現象の研究
量子臨界現象の制御
ボルテックスマター（量子渦）の統計物理
超伝導プラズマとTHz光発振
量子スピン系

より最新の研究成果についてはResearch Highlightsから参照いただけます。

非従来型超伝導における対称性の破れ　ページのTopへ †

　超伝導は本来反発し合う電子の間に引力が働き、クーパー対と呼ばれる電子対を形成し、ボーズ・アインシュタイン凝縮を起こすことにより生じる相転移現象です。超伝導転移は熱力学的な2次相転移であり対称性の破れを伴いますが、超伝導の場合、破れるのはゲージ対称性です。近年、ゲージ対称性だけでなく、それ以外の対称性の破れを伴う超伝導体も次々と発見されています。このような超伝導体は非従来型超伝導体と呼ばれます。非従来型超伝導の代表格であるのが銅酸化物高温超伝導体です。

　従来型の超伝導では格子振動を媒介として電子が引き合うのに対して、非従来型超伝導では電子相関や磁性によって引力が働くと考えられています。従来型超伝導ではクーパー対の形状は等方的なs波 (図1)ですが、非従来型超伝導では電子対をつくる相互作用は異方的であり、クーパー対の形状も異方的になります。クーパー対の形状は超伝導エネルギーギャップ構造の異方性としてみることができます。即ち、従来型の超伝導ではフェルミ面上に等方的なエネルギーギャップが現れるのに対して、非従来型超伝導では相互作用の異方性を反映してフェルミ面上に開くエネルギーギャップがノード(節)を持つ、つまりゼロになる方向が現れます。たとえば図2では銅酸化物高温超伝導体で考えられているd波対称性を描いてあります。//これは別の見方をすると非従来型超伝導体ではクーパー対の形状が異なっているとも言えます。

　非従来型超伝導体の研究で最も重要なことはその引力のメカニズムを知ることであり、そのためにはクーパー対の形状、つまり超伝導ギャップ構造の異方性を知ることが決定的に重要になります。超伝導ギャップ構造におけるノードの有無は準粒子励起を通じて調べることができます。我々の研究室では、試料を極低温(数10ミリケルビン）まで冷却し、超伝導状態における磁場中のエントロピーの流れの方向から素励起をしらべ、超伝導対称性の決定を行っています。また最近ではトンネルダイオードを用いて極低温まで磁場侵入長を測定する装置を開発し、鉄系超伝導体における超伝導ギャップ構造を世界に先駆けて報告してきました。図3にこれまで我々の研究室で決定した様々な異方的超伝導体のギャップ構造を示します。

図1: s波超伝導対称性　　　図2: d波超伝導対称性

図3: 様々な非従来型超伝導体における超伝導対称性

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様々な新奇超伝導状態　ページのTopへ †

　最近様々な奇妙な超伝導状態が発見されています。ここでは最近我々が研究している奇妙な3つの話題を紹介します。どれもほとんど明らかになっていない奇妙な超伝導状態です。

(1) テクスチャー構造の秩序変数をもった超伝導状態

　従来の超伝導体では (k, ↑) , (-k, ↓) の電子対が形成されます。これに対し (k, ↑), (-k+q, ↓) の有限の重心運動量を持った電子対形成の可能性が40年前に指摘されていました。この状態を予言した4人の名前を取ってFFLO状態と呼びます。FFLO状態では、渦糸格子に垂直方向に周期的に２次元のノードが出現し、図のように実空間で超伝導が不均一になります。FFLO状態は最近重い電子系超伝導体で発見されました。FFLO状態は超伝導だけでなく、ボーズ・アインシュタイン凝縮した希薄気体においても盛んに探索が行われています。また超高密度の原子核や中性子星においてもその存在が予測されており盛んに計算がなされています。

(a) 一般的な超伝導対中における渦。 (b) FFLO状態における渦糸状態。周期的に波動関数の符号が変わるため平面的なノードが現れます。(c) 一般的な超伝導体における準粒子の分布。 青色で示されている渦中心に多く分布しています。(d) FFLO状態での準粒子分布。 渦の周りだけでなく、ノード位置にも分布します。(e) ノードと渦が交差するところでは対角方向に横切った際には波動関数の符合が変わらないため交差している付近では準粒子の束縛状態は存在しないと考えられています。

(2) 空間反転対称性のない超伝導状態

　ほとんどの超伝導体では、電子対を組む際に空間反転対称性を仮定します。最近空間反転対称性のない超伝導体がいくつか発見されています。このような系ではスピン・シングレットとトリプレットの区別が出来なくなるために両者の混ざり合った奇妙な超伝導状態が実現します。この状態では例えば、上部臨界磁場が異常に高くなったり、ヘリカル渦糸相と呼ばれる新しい超伝導状態が出現したりすることがわかってきました。

左図: 空間反転対称性のない結晶構造を持つ物質CePt3Si。Si原子の位置が中心から少しずれているため反転対称性が破れている。右図: 空間反転対称性の破れのためにスピン軌道相互作用の縮退が解け分裂したフェルミ面。

(3) 他の秩序と共存した超伝導

　非従来型超伝導体ではしばしば超伝導体では、反強磁性や強磁性と共存します。我々はこれまで反強磁性と共存した超伝導体の対称性についての研究を行ってきました。またある種のアクチノイド系化合物では、「隠れた秩序」と呼ばれる奇妙な秩序状態と超伝導が共存します。この状態では極めて少ないキャリアーで超伝導になってしまうため、カイラル超伝導状態や量子極限状態の超伝導状態が実現される事がわかってきました。このような状態では、これまでに観測されたことのない新奇超伝導状態が実現されることが期待されます。

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２次元人工超格子超伝導の創成と量子位相制御　ページのTopへ †

超伝導を２次元に閉じこめることにより、バルクの３次元では観測できなかった様々な興味ある現象が期待できます。例えば超伝導電子対の大きさよりも薄い膜は純粋に２次元XYモデルで記述され Kosterlitz-Thouless転移という渦と反渦励起により超伝導転移が記述されます。我々は最近、京都大学低温物質科学センター寺嶋研究室と共同で分子線エピタキシー法により重い電子系化合物の人工超格子を作ることに成功しました。まだまだ試料の質を向上させる必要がありますが、重くなった電子を２次元に閉じこめたのは世界で初めてです。このような系を用いることにより、自然界には存在しない新しい超伝導体を創成する試みを行っています。また薄膜化により電子線リソグラフィーや収束イオンビームを用いて、ナノ微細加工が可能になります。我々は超伝導と磁性体を接合させたり、超伝導の位相を人工制御して新しい素子を作ろうと試みております。さらに超伝導量子位相を直接観測するために、走査ホールプローブ顕微鏡の作製も行いました。

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非フェルミ流体的な電子輸送現象の研究　ページのTopへ †

電子輸送現象でもっとも基本的な物理量は、電気抵抗、ホール係数、磁気抵抗であり、これらの輸送係数は、ほとんどの場合、ランダウのフェルミ液体理論により予想される振る舞いを示します。しかしながら最近、フェルミ液体理論から大きく外れたいわゆる非フェルミ液体的な振る舞いを示す物質が、銅酸化物高温超伝導体、重い電子系化合物、有機伝導体のような、いわゆる強相関電子系物質で数多く見つかってきています。非フェルミ液体状態は、エキゾチック超伝導の発現機構とも密接に関係しています。非フェルミ液体的な電子の挙動は、反強磁性や強磁性不安定性が起こる近傍、いわゆる量子臨界点近傍でしばしば観測されます。非フェルミ流体的な輸送係数の振る舞いに対しては、例えば伝導を担うものは単純な電子ではなく、エキゾチックな粒子、スピノンとホロンであると仮定するものなどもありますが、これまで多くの論争があるもののいまだに理解されていない問題です。このように強相関電子系の非フェルミ液体的な挙動は、超伝導や量子臨界点とも深く関わった物理学における重要な問題の一つです。

そのような背景のもと、我々は現在準２次元的な電子構造を持つ重い電子系化合物と呼ばれる超伝導体CeMIn5 (M=Rh, Co, Ir)に注目して電子輸送現象の研究をしております。CeMIn5は圧力によって基底状態を反強磁性相から超伝導相まで連続的に変化させることができ、電子相図の広い温度と磁場範囲を調べることができ、強相関電子系の輸送現象の詳細を系統的に調べる上で非常に適しています。

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量子臨界現象の制御　ページのTopへ †

量子臨界現象とは、異なる基底状態間の2次相転移が絶対零度において現れる現象で、圧力などの外部パラメータを変化させたときに起こることが知られています。この現象が注目されている理由は、臨界点近傍では、系が量子揺らぎによって支配されることにより、低温における物性が、通常金属でよく成り立つことが知られているランダウのフェルミ液体論では十分記述できない振る舞いを示すことが明らかになってきたからです。また、強相関電子系において磁気秩序相と非磁性金属相の相転移の間の量子臨界点近傍において、非従来型の超伝導が出現することがあり、新しい物性制御法としても量子臨界現象の制御が着目され始めています。今までこのような量子臨界点の制御は、「圧力」や「化学組成」を変化させることによって主に行われてきましたが、我々の研究室では、別の制御パラメータとして、「磁場」や「次元性」を用いるという新たな視点に立った研究を行っています。

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ボルテックスマター（量子渦）の統計物理　ページのTopへ †

強く相互作用しあう系の多彩な現象は、物理学における最も活発に研究が行われている分野の一つです。特に一次元のひも状の分子が、反発し合ったり絡み合ったりして引き起こされる相転移現象は、高分子、タンパク質、DNAなどの生命現象とも関係した重要な問題です。第２種超伝導体に磁場をかけると量子化された磁束が一次元のひもになって（渦が糸のようになることから渦糸と呼ばれます）試料に侵入します。特に高温超伝導体や有機超伝導体の渦糸状態は従来の超伝導体とは大きく異なっています。これらの超伝導体では渦電流が2次元面に閉じこめられたパンケーキ渦が弱く面間に結合しています。つまりパンケーキが弱いひもで繋がった構造を持っています。このような系は低温弱磁場では 3角格子を作って整列しているものの、熱揺らぎのためにある時には液体になったり、ある時には結晶中のランダムポテンシャルのためにグラスとなったりして、まさに複雑系物質と言えます。このような系は「ボルテックスマター（渦物質）」と呼ばれ統計力学の対象としても興味深いものです。我々は様々な方法でこのこの複雑物質を調べています。

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超伝導プラズマとTHz光発振　ページのTopへ †

最近特に興味を持って行ってきた研究のひとつが、高温超伝導体のジョセフソン効果の研究です。高温超伝導は2次元CuO2面で超伝導が起こります。この2次元超伝導面間の電子の移動はジョセフソン効果とよばれるクーパー対の量子力学的なトンネル効果によって起こります。我々はジョセフソン・プラズマと呼ばれる超伝導電子対のプラズマ振動をマイクロ波により検出することに世界で初めて成功し、トンネル効果の強さを精密に測定することができるようになりました。我々は、ジョセフソン・プラズマを用いて高温超伝導体のジョセフソン接合の特性や上述の渦糸状態を調べてきました。また最近このジョセフソン・プラズマを使ってテラヘルツ帯の光を発振させることが可能になることがわかってきました。ジョセフソン・プラズマによる発振では半導体と違い光の波長が可変となります。現在の所、まだ半導体と比べて弱い光しか取り出せていませんが、原理的には同程度の強度の光が発振可能だとされております。テラヘルツ帯の光は、光波と電波の中間領域に当たり、非金属や無極性物質を透過し、物質の光応答、化学反応、生体反応の研究だけでなく、非破壊検査、宇宙観測、光通信などでの応用が可能になります。

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量子スピン系　ページのTopへ †

近年、1/2の大きさを持つスピンが三角格子状に配置されたときの基底状態の研究にも興味を持って取り組んでいます。反強磁性的にオーダーしようとしているイジングスピンは三角格子状に配置されると↑と↓の両方と隣り合うスピンの方向は定まりません（下図参照）。このような系はフラストレーションの強い系と呼ばれ、絶対零度においてもスピンが長距離秩序を持たずスピン液体と呼ばれる状態が実現していると言われています。この問題は量子スピン系の基本的理解にかかわる、非常に重要な問題です。実際にこのような三角格子の問題を調べることのできる物質のひとつが有機Mott絶縁体κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3です。この物質はスピン配置が三角格子に非常に近く（t'/t = 1.06）、かつスピン間の相互作用の強さＪがおよそ２５０Ｋと非常に高い特徴があり、近年非常に盛んに研究されています。我々はこの物質の基底状態を希釈冷凍機温度（～１０ｍＫ、Ｊの２万５千分の１！）まで調べようと取り組んでいます。

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