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研究概要

 人類が高度に発展した社会を構築・維持するためには,さまざまな物質の新たな機能の発見とその解明が必要不可欠です。物質が示すさまざまな性質を,力学,電磁気学,熱力学,統計力学,量子力学などを用いて解き明かす学問が「物性物理学」です。現代社会の基盤をなすエネルギーと情報に関わる科学・技術は多くの物性物理学の研究から生み出されたものであることに気が付きます。その最たる例はパソコンやスマートフォン、CDやDVDなどの電子機器の中核をなす半導体デバイスや磁気記録デバイスであり、それらの動作原理は量子力学に基づく物性物理学の成果に依拠するものです。

 

 物性物理学で考察する基本粒子は素性の良くわかった原子核と電子です。物性物理学の醍醐味は,アンダーソン博士(1977年ノーベル物理学賞)の言葉「More is different.」にあるように, 物質中に存在するアヴォガドロ数個もの原子核と電子が互いに複雑に絡みあい,「超伝導」や「磁性」といった不思議な現象を引き起こすことです。このような物理現象の起源を探り,人類に役立つ技術の基礎となる物質の潜在能力を最大限に引き出すためには,物性物理学の基礎研究が必要不可欠なのです。

 

 本研究室では分子性導体に関する物性物理学の研究を行っています。分子性導体は,有機分子から構成される有機物質であるにも関わらず,金属並みに電気を流すことのできる大変興味深い物質群です。分子性導体の電気伝導を担う電子は,電子同士がクーロン反発力により互いに強く避けあうため,「強相関電子系」とも呼ばれています。このような系では,従来の理論の枠組みでは説明できない新規のメカニズムによる超伝導が出現します。本研究室では,分子性導体の電子構造(フェルミ面や超伝導ギャップ)を決定し,強相関電子系における超伝導のメカニズム解明を目指しています。科研費をはじめとする競争的研究資金の獲得を目指すとともに,物質・材料研究機構(つくば市)や東京大学物性研究所(柏市)等の世界最高レベルを誇る研究施設で実験を行ない,様々な物質の背後に潜む基本法則,普遍性,特殊性の解明に迫ります。

 

研究内容

1. 分子性導体のフェルミ面に関する研究

 金属の電気的・磁気的性質を決定しているのは,金属中の伝導電子です。伝導電子は,その物質中のフェルミ面を形成し,その構造が物性を支配しています。したがって,金属の物性を詳細に議論する場合に,フェルミ面の構造を知っておくことは極めて重要です。本研究室では,角度依存磁気抵抗振動(Anglar-dependent magnetoresistance oscillation)やシュブニコフ-ドハース振動(Shubnikov-de Haas effect)の実験により,分子性導体のフェルミ面を調べています。

 

 分子性導体b-(BDA-TTP)2SbF6はTc ~ 7 Kで超伝導転移を示します。角度依存磁気抵抗振動の測定(FIG. 1)により,この物質のフェルミ面を決定しました[1]。また,相沢・黒木らによる第一原理計算との比較を行い,超伝導の形成に重要な役割を果たすスピン揺らぎに関する知見を得ることにも成功しました[2]。

2. 磁束フロー抵抗と超伝導ギャップ構造

 これまでに重い電子系,有機物,銅酸化物等の強相関電子系において,従来のBCS超伝導体とは異なるギャップ構造をもつ異方的超伝導体が数多く発見されてきました.超伝導はフェルミ面上の2つの電子に引力が働きクーパー対をつくることによって生じます。従来型のBCS超伝導体ではこの引力は格子振動を介して生ずるのに対し,異方的超伝導体では異なる引力のメカニズムによってクーパー対が生じる可能性があります。いうまでもなく,超伝導の発現機構解明は,超伝導研究の中心的課題のひとつです。

 

 異方的超伝導体の特徴は超伝導ギャップがゼロになる部分,つまり「ノード」が存在することです.ギャップ構造はクーパー対の起源と密接に関係しているため,その解明は超伝導の発現機構を知る上で重要な情報を与えます.

 

 我々はd波有機超伝導体として知られるk-(ET)2Cu(NCS)2を磁場中で回転させることにより(FIG.2),超伝導状態で形成される磁束(渦糸)の運動(磁束フロー抵抗)が超伝導ギャップ構造の異方性に強く影響されることを世界に先駆けて発見しました[3]。Fig. 2は,クーパー対の起源を探るヒントになると考えられています。

FIG. 1: T = 1.7 Kでのb-(BDA-TTP)2SbF6の角度依存磁気抵抗振動.磁気抵抗の振動周期からフェルミ波数を見積もることができる.

FIG. 2: T = 6.4 Kでのk-(ET)2Cu(NCS)2の磁束フロー抵抗の面内異方性.伝道面内で磁場を回転させると,超伝導ギャップ構造の面内異方性を反映して磁束フロー抵抗が振動する様子が観測される.

参考文献

[1] S. Yasuzuka et al.,  J. Phys. Soc. Jpn. 81 (2012) 035006. 

[2] H. Aizawa et al.,  New J. Phys. 14 (2012) 113045.

[3] S. Yasuzuka et al.,  J. Phys. Soc. Jpn. 82 (2013) 064716.

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