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  研究課題の紹介
精密物性測定による鉄系超伝導体の電子状態解明

氏名
大串 研也 役職 特任講師
所属 東京大学 物性研究所 新物質科学研究部門
研究室URL http://ohgushi.issp.u-tokyo.ac.jp/index.html
※所属・役職名は研究参加期間終了時点のものとなります。

研究実施の概要(終了報告書より抜粋)

1)実施概要

 鉄系高温超伝導という衝撃的発見から拡がる材料科学は、新超伝導体探索・超伝導特性強化・デバイス化など様々であろうが、あらゆる研究展開の礎となるのが電子状態の微視的理解である。電子相図・フェルミオロジー・超伝導波動関数・素励起・集団励起といった重要な事柄を徹底的に究明するためには、純良単結晶に対し様々な精密物性測定を適用する必要がある。従って本研究課題においては、電荷の情報を得る手法(輸送現象・光電子分光)とスピンの情報を得る手法(核磁気共鳴・中性子散乱)を組み合わせ、低エネルギー励起を敏感に検知する手法(輸送現象・核磁気共鳴)と高エネルギーの素励起にアクセス可能な手法(中性子散乱・光電子分光)を相補的に用いた。さらには通常環境下では乱れに覆い隠されている本質的特性を、極限環境下(超高圧・強磁場)で詳らかにすることを目指した。こうした総合的研究を単一の研究所内における緊密な連携の下迅速に推進すること、これが本プロジェクトの骨子である。

  約3年半に亘る各チームの協働の末に得られた鉄系超伝導体に関する物理描像を一言に要約するならば、「密接に結合する内部自由度が織り成す多彩な量子秩序」と纏められる。BaFe2As2の軌道秩序を伴う反強磁性相が典型例であり、高圧下のSrFe2As2で出現する超伝導−反強磁性ハイブリッド相、NaFeAsとBaFe2Se3で見られる非整合磁気相関と格子整合により生じる反強磁性相、ひいてはBaMn2As2の電気磁気効果を示す反強磁性相も具体例として挙げられる。特に興味を惹かれるのは、複合自由度の静的秩序と動的相関が連動している点である。例えば、Ba(Fe1-xCox)2As2におけるドーピングに伴う磁気励起の変遷は、超伝導相の発現・フェルミ面の有無といった電荷自由度に纏わる静的性質の変化と対応している。他の例としては、Ba1-xKxFe2As2における光電子スペクトルの擬ピーク励起で特徴付けられる“隠れた秩序相”、あるいは鉄系超伝導体から離れるが本プロジェクトを通じて新たに発見した新超伝導体HgxReO3におけるラットリングフォノンが挙げられる。異なる量子秩序相がエネルギー的に拮抗していることは鉄系超伝導体発見の経緯からも明らかであるが、本研究を通じて多彩な制御手法があることが明らかとなった。ドーピング以外にも圧力・磁場・乱れが反強磁性相を抑制し超伝導相を誘起するが、特に興味深い手法としてEuFe2As2におけるEuの価数転移を見出した。

 「内部自由度を有する量子液体」という見方は決して新しいものではなく、超流動3He・量子ホール系・Mn酸化物などで繰り返し議論されてきたものである。しかし驚くべき点は、遍歴性の高い伝導電子により内部自由度の個性が薄らいでいると認識されてきた金属間化合物でも、電荷・スピン・軌道・格子という内部自由度が密接に絡み合いつつも顕に物性に顔を覗かせている点である。今後はFe以外の遷移金属を含む物質群に展開が図られることが予想されようが、BaMn2As2における非線形磁気光学効果の研究はその先駆となることを目指したものである。 

2)顕著な成果

1)BaFe2As2の磁気励起

概要: 中性子散乱をBaFe2As2に適用することで、反強磁性状態の磁気励起が~10 meVのギャップを有し面内/面間速度の異方性が約5倍であるスピン波励起と、~15 meVのギャップを持つストーナー励起からなることを明らかにした。

2) SrFe2As2における磁性と超伝導の共存

概要: SrFe2As2に対する圧力下のNMR測定により、反強磁性相−超伝導相境界近傍において、正方晶超伝導相と斜方晶反強磁性相がナノスケールで空間的に分布する特異な共存相が自発的に形成されることを発見した。

3) BaMn2As2における磁気第二高調波発生

概要: 鉄系超伝導体関連物質BaMn2As2において、反強磁性磁気秩序に由来する磁気第二高調波発生を観測し、新たに室温遍歴電気磁気効果物質として認識することに成功した。


  



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