固体量子物性分科

  
スタッフ 教授 前野 悦輝 助教 北川 俊作
教授 石田 憲二
助教 米澤 進吾


私たちは、固体中の電子が強く相互作用している強相関系を舞台とした多彩な物性現象を研究しています。室温よりはるかに低い温度では物質は量子統計力学的効果に支配され、超伝導に代表される日常感覚とはかけ離れた現象が起こります。このような現象の発見や理解を目指して私たちは日々実験に励んでいます。

トポロジカル量子現象

前野教授・米澤助教のグループは、「トポロジカル量子現象」について主に研究しています。「トポロジカル量子現象」とは、量子凝縮系の波動関数の「形状(トポロジー)」に起因する新奇現象のことを指します。このように波動関数のトポロジーという観点で物事を見ると、一件全く関係性の見えない現象の間に実は類似性があることが分かります。

時間反転対称性の破れた超伝導体Sr2RuO4

超伝導状態を担うクーパー対のスピン状態は一重項と三重項の二通りが可能ですが、ほとんどの超伝導体ではスピン自由度のない一重項状態となります。Sr2RuO4は数少ないスピン三重項超伝導体の最有力候補の一つであり、時間反転対称性の破れたカイラル超伝導状態が実現していると考えられています。このようなカイラルスピン三重項超伝導はトポロジカル量子現象を示す「トポロジカル超伝導体」としての側面を持つことが、近年明らかになってきました。さらに、SrをCaで置換したモット絶縁体Ca2RuO4も圧力下では超伝導を示します。我々はSr2RuO4のバルク超伝導の研究、Sr2RuO4超伝導素子の研究、Ca2RuO4への圧力・電場など外場効果の実験などを通し、時間反転対称性の破れた超伝導体に特有のトポロジカル量子現象の発見と理解を目指しています。

新物質開発

未知の物理現象の発見するためには、ますは興味深い性質を示す可能性のある物質を発見しなければなりません。我々は、遷移金属酸化物を軸として、興味深い物性(特に超伝導)を示す可能性のある物質を探索・開発し、これまでにない物理現象の発見を目指しています。これまでにも幾つかの超伝導体や、巨大な磁気抵抗を示す酸化物導電体PdCoO2など、興味深い物質を開発・報告しています。

物質の微視的性質

石田教授のグループは、核磁気共鳴法(NMR)を用いて原子レベルの視点から様々な超伝導体、磁性体を研究しています。以下に最近の結果を紹介します。

ウラン系強磁性体における超伝導の研究

マイスナー効果を持つ超伝導は、強磁性(磁石のような性質)とは相容れないものだと考えられていました。しかし近年、強磁性でありながら超伝導になる物質が発見され、興味を集めています。当研究室では強磁性超伝導体UCoGeの研究を進め、強磁性体がまさに強磁性体であるが故に超伝導にもなるという新しい超伝導発現機構を世界で初めて検証しました。また、この特異な超伝導発現には一軸異方性(イジング性)の強い強磁性が重要であると考えられています。磁場をかけることでイジング性の強い強磁性を誘起できるメタ磁性体UCoAlに注目し、NMRを用いて磁気的性質を研究しています。

鉄系超伝導体の研究

近年、強磁性元素としてなじみ深い鉄を含む物質が高温超伝導体であるという発見が東工大の細野教授のグループよりなされました。これら鉄系高温超伝導体は、元々反強磁性体なのですが、元素を置換したり圧力を加えることで超伝導を示すようになります。当研究室では、鉄系高温超伝導体で最初に発見されたLaFeAs(O,F)系における磁性と超伝導の関係や鉄系超伝導が非従来型超伝導であることを明らかにしました。また、最近ではBaFe2(As,P)2における磁気揺らぎ・磁気秩序と超伝導の関係性や、関連物質であるCe(Fe,Ru)POでの異常な磁気的な性質についても報告しています。ところで、右の図には、様々な異方的超伝導体における母物質の反強磁性転移温度と各系の最高の超伝導転移温度を示しています。非常に興味深いことに、母物質の反強磁性と超伝導の強さには相関が見られるようです。このような、物質をまたいだ広い視点での理解を今後進めていきたいと考えています。