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中辻研究室 新物質による新量子機能!
●研究内容は?
(1) トポロジカル量子現象 量子スピン液体、磁気モノポールの量子伝導
不揮発性メモリ効果など
(2) 量子臨界現象と超伝導
多極子揺らぎの新しい超伝導機構の開発など
固体中の電子集団の示す巨視的量子現象
●研究手段は? 新物質合成による新量子機能の開発
(1) 物質合成 : 新物質の探索、単結晶の育成
(2) 熱・輸送測定: 最先端測定装置を駆使
「自ら物質を創り、測定し、新しい発見を目指す!」
基礎から応用へ
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中辻 知
松本 洋介
冨田 崇弘
Tian Zhaoming
志村 恭通
大槻 匠
肥後 友也
石川 洵
辻本 真規
鈴木 慎太郎
Mario Halim
河本 真弥
清原 直樹
眞方篤史
鈴木まり子
●構成メンバー
●研究スタイル 実験:各自に個別の研究テーマ
週数回のセミナで研究内容を互いに議論
:准教授
:助教
:特任研究員
:特任研究員
:特任研究員
:特任研究員
:特任研究員
:D3(学振特別研究員)
:D2 リーディング生
:D1 リーディング生
:M2
:M2
:M2
:M1
:秘書
OBの方々
アカデミックポスト
准教授 1名、助教: 3名, 特任研究員: 3名
一般企業
旭化成, 本田技研工業, 日本IBM etc.
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Strongly Correlated Electron Systems
d-electrons systems
f-electron systems
eg. Ce 4f1, Yb 4f13
Organic systems
Lantanoid
Actinoid
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Strongly Correlated Electron Systems
d-electrons systems
f-electron systems
eg. Ce 4f1, Yb 4f13
Organic systems
Lantanoid
Actinoid
d, f electrons: interaction between electrons is
very large (mainly Coulomb repulsion).
Electrons are nearly localized at the atomic
sites.
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Competition btwn
Itinerant and Localized
Character of electron
Particle
Localizaton
Wave
Itinerant
Various Electronic Phases in
Strongly Correlated Electrons
Mott
Insulator
Magn.
Order
Correlated
Metal
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電荷 スピン 軌道
磁石
電子の持つ便利な性質(=自由度)
電流 +
-
半導体デバイス
コンデンサ トランジスタ
・・・
磁気デバイス
HDD 磁気センサー
・・・
?
電子の電荷分布の形
Wikipedia
ベンゼン
3d電子
集積回路
磁気ヘッド 磁気ディスク
HDD Ushio Inc. 利用例は
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トポロジーと物性物理
物性物理: 物質の「相」の分類 「相」とは何か?対称性の破れなしに連続につながる状態の集まり 強磁性体、超伝導体‥ : 対称性を破る「秩序」による分類
トポロジーとは?
トポロジー 新たな量子相の発見
「秩序」を持たないさまざまな量子相→ 「トポロジカル相」
トポロジカル量子相の探索:物性物理における新しい潮流 Wikipediaより
連続的な変形で移り変わるものを 「同じもの」と見なす数学
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相転移
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ホール抵抗
ホール抵抗(伝導度)の量子化
電子構造に潜むトポロジー “不純物などでは壊れない根源的な性質”
エッジ電流
1985年整数量子ホール効果 1998年分数量子ホール効果
「トポロジカル相」の端緒: 量子ホール状態
磁場
準粒子 (分数電荷、分数統計、
非アーベル統計‥)
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1980,1982 量子ホール効果
2004グラフェン
日本の強い分野
多くの候補物質
2007 トポロジカル絶縁体
トポロジー研究(物性物理)
強相関系(磁性体、金属、超伝導)
トポロジカル秩序の理論
2008 スピンアイスにおける モノポール
1986 高温超伝導
2003 マルチフェロイックス
1990 巨大磁気抵抗
理論と実験の連携で 欧米中心に爆発的発展
強相関トポロジカル相
絶縁体のみならず、磁性体、金属における 新しいトポロジカル量子相
~新たな分野の創成~
2011 ワイル粒子理論
トポロジカル相の研究 〜歴史的経緯と展開について〜
4/18
理論先行
多種多様な未解決な現象
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物性物理の新たなステージの構築
金属
〜トポロジーによるパラダイムシフト〜
磁性体
【トポロジカル絶縁体】
【量子臨界相】
【スピン液体相】
強相関トポロジカル相の開拓 絶縁体
• ワイル粒子、フェルミアーク • 量子異常ホール効果
• 量子スピンアイス • モノポール • スピノン • 磁気光子
• 金属スピン液体 • トポロジカル量子相転移 • フェルミ面不安定性
5/18 トポロジー理論と実験の協奏による緊密な世界的共同研究
新分野創成へ
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モノポールと量子スピン液体
• 数学的に等価な“モノポール”が 固体中に実現
• スピンアイス:スピン液体の有力候補 ~磁気秩序はないが、トポロジカルな励起が モノポールとして存在~
• モノポールの量子伝導の可能性
R. Moessner et al., Nature (2008). K. Kimura, S. Nakatsuji et al., Nature Com. (2013).
• 宇宙創成初期にモノポール(磁気単極子)が大量に発生?
実験的には未確認
6/18
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量子スピン液体: トポロジカル効果の追究
中性子回折(ジョンズ・ホプキンス大)
トポロジカルな量子欠陥: モノポールの動的性質の解明
モノポールの ボーズ・アインシュタイン凝縮
理論 理論
磁歪: (ドレスデンMPI-CFS)
量子スピン液体の 理論研究新概念 (ドレスデン MPI-PKS、Moessner、 Pollmannら)
トポロジカル相の直接的証拠 磁気光子励起の観測
世界最高磁場!
世界最高輝度!
世界最高精度!
熱伝導(米国国立高磁場研)
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理論
新概念を実験的に検証
量子スピンアイス Pr2Zr2O7
純良単結晶(中辻研)
低温物性測定
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量子臨界相とトポロジカル転移
Fe based SC Cupper oxides
Tc = 10 ~ 50 K
鉄系高温超伝体 銅酸化物高温超伝導体
Tc = 10 ~ 100 K
Tc = 0.1 ~ 20 K
r ~T
温度
磁場 圧力
量子臨界相 超伝導の領域
フェルミ面のトポロジカル相転移が
高温超伝導を誘起している可能性!
量子臨界領域 量子臨界領域
超伝導
超伝導
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重い電子系
Y. Matsumoto, S. Nakatsuji et al., Science (2011).
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新物質 YbAlB4
a
c
b
B
Yb,Al
a
c
b
強い電子相関を持つ金属の
典型である重い電子系にお
いて20年間以上に渡り、
イットリビウム(Yb)系での
超伝導の探索が行われてき
たがこれまで報告が無かっ
た。我々はその実現に初め
て成功し、超伝導が量子臨
界点で現れることを示した。 Nature Phys. (2008)
フェルミ液体
非フェルミ液体 異常金属
中辻研究室 量子臨界超伝導体の発見!
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新物質 YbAlB4
a
c
b
B
Yb,Al
a
c
b
強い電子相関を持つ金属の
典型である重い電子系にお
いて20年間以上に渡り、
イットリビウム(Yb)系での
超伝導の探索が行われてき
たがこれまで報告が無かっ
た。我々はその実現に初め
て成功し、超伝導が量子臨
界点で現れることを示した。 Nature Phys. (2008)
フェルミ液体
非フェルミ液体 異常金属 量子臨界点での
超伝導の発見!
中辻研究室 量子臨界超伝導体の発見!
![Page 16: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/16.jpg)
新物質 YbAlB4
量子臨界現象は通常、
チューニングが必要。 しかし、この系はそれを必
要しない初めての物質。 ゼロ磁場で自発的に現れる
ことを見出した。
中辻研究室 量子臨界超伝導体の発見!
磁場
温度
磁化の量子臨界発散
超伝導
新物質 β-YbAlB4
の結晶構造
量子臨界点
米国科学誌「Science」 (2011年1月) (2015年)
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新しいトポロジカル量子相:ワイル粒子相
• キラリティを持つワイル粒子の磁場との相互作用: 巨大異常ホール効果、カイラル磁気効果の可能性
Balents et al PRL (2011).
• トポロジカルに安定な量子相。グラフェンの3次元版 • “フェルミアーク”という新しい表面状態 • 中辻らが開発したPr2Ir2O7が実験・理論的に最有力候補
L. Balents, Physics 4, 36 (2011).
伝導バンド
価電子バンド
ワイル粒子! EF
フェルミアーク
8/18
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強相関系における トポロジカル量子相
高磁場での 輸送現象測定 (米国高磁場研)
理論
理論
理論
Balents氏ら (カリフォルニア州立大) との協力
EF
Quadratic Fermi node
EF
AF Weyl semimetal
一軸正負圧力下での 新しいトポロジカル絶縁相の実現
トポロジカル絶縁体 の量子相転移 (ドレスデンMPI-CFS)
磁気熱量効果による 量子相転移の研究
(アウグスブルグ大学)
世界初のワイル粒子相 の実験的確認
世界最高定常磁場!
世界唯一!
世界最高精度!
Science (2014)
9/18
Nature Mat. (2014)
Physics (2011).
量子物質Pr2Ir2O7
純良単結晶(中辻研) 量子磁性研究
![Page 19: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/19.jpg)
ホール効果 1879年、1880年のEdwin Hall氏による発見以来の経験則
rxy = R0B + 4pRSM
磁場Bと磁化Mがに比例する。
正常ホール効果 異常ホール効果
磁場と磁化がないとホール効果は現れない。
![Page 20: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/20.jpg)
Application: ホールセンサ: 磁場を感知
スピードセンサ
キーボードなど
MRAMを超える次世代不揮発性メモリ
TMR は三層構造を必要とする
Hall effect-MRAM: 一層で十分!
低磁場でのコントロールが重要。
ホール効果の応用例
![Page 21: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/21.jpg)
パイロクロア格子 Nature 2010年1月14日号
中辻研究室 カイラルスピン液体相の発見!
自発的 ホール効果 の出現
量子スピンアイス状態: 量子力学的にスピンの氷が解けた状態
![Page 22: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/22.jpg)
ホール効果の発現には、発見以来、
100年以上もわたり、磁化と磁場
が必要であるとされてきました。私
達は、磁性体の中でも注目されるス
ピン液体において、実は、磁化も磁
場もなくても、ホール効果を自発
的に発生する新しい状態、カイラ
ルスピン液体相を発見しました。こ
こでは、電子の持つBerry Phaseが
自発的に秩序したと考えられます。
Nature 2010年1月14日号
中辻研究室 カイラルスピン液体相の発見!
Berry Phase
電流
ホール電圧
自発的 ホール効果
カイラリティ
不揮発性メモリ素子の新しい機構の発見
![Page 23: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/23.jpg)
![Page 24: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/24.jpg)
中辻研究室 新物質による新量子機能! メンバー (14名):
中辻 知(准教授), 松本 洋介(助教), 特任研究員4名,
博士学生3名 (学振特別研究員1名, MERIT生2名), 修士学生4名, 秘書1名
学際的研究と国際色豊かな環境
研究室のテーマや、実験装置の詳細:研究室見学を随時受付
![Page 25: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/25.jpg)
結晶育成のための様々な方法・装置 浮遊帯域法(FZ法)温度2000℃
Flux法
化学気相輸送法 (CVD法)
チョコラルスキー温度2500℃
![Page 26: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/26.jpg)
結晶評価のための測定装置 磁気特性測定
システム
MPMS-XL (Quantum Design)
物理特性測定
システム
PPMS (Quantum Design)
T = 1.8 ~ 350 K
B ≤ 7 T
T = 0.35 ~ 400 K
B ≤ 9 T
X線回折装置
RINT-2000 (Rigaku)
T = 10 ~ 300 K
![Page 27: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/27.jpg)
3He-4He希釈冷凍機 2台
最低温度: T = 0.01 K , 磁場: 0 < B < 10 T
低温物性測定のための装置
温度可変インサート + 勾配磁場付9Tマグネット 1.5 < T < 300 K
交流帯磁率, 誘電分極, 誘電率, 熱膨張率, 磁化(ファラデー法)
を極低温、高磁場、高圧下で測定
比熱 交流帯磁率 電気抵抗 誘電率
無冷媒温度可変インサート + 9Tマグネット + 3He冷凍機
温度: 0.3 ≤T ≤ 300 K 電気抵抗, 誘電率, 熱膨張率
![Page 28: Introduction of Nakatsuji Lab (Japanese)](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022415/586f91f11a28ab54768b7e49/html5/thumbnails/28.jpg)
「自ら物質を創り、測定し、 新しい発見を目指す!」