introduction of nakatsuji lab (japanese)
TRANSCRIPT
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
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.
Strongly Correlated Electron Systems
d-electrons systems
f-electron systems
eg. Ce 4f1, Yb 4f13
Organic systems
Lantanoid
Actinoid
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.
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
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
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
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‥）
3/18
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〜
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理論先行
多種多様な未解決な現象
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
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
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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
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
15/18
重い電子系
Y. Matsumoto, S. Nakatsuji et al., Science (2011).
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！
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！
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）
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
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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)
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Nature Mat. (2014)
Physics (2011).
量子物質Pr2Ir2O7
純良単結晶（中辻研） 量子磁性研究
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。
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
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
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
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
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℃
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
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
「自ら物質を創り、測定し、 新しい発見を目指す！」
