研究

研究内容

固体中の電子多体系が示す新奇な量子電子相の探索と相形成のメカニズム解明の研究を推進しています。 遷移金属酸化物中の伝導や磁性を支配するのは遷移金属元素のd 軌道を占めていた電子です。 d 軌道の空間拡がりが小さいため、電子はクーロン相互作用により強く相関します。 相関電子は、その相互作用を通じて電子液体・電子液晶と呼ばれる相を形成します。 相関電子では電荷、スピン、軌道(縮退する軌道のどれを選ぶか)の自由度がしばしば独立に振る舞うので、 電荷液晶状態、スピン液体状態といった多彩な状態の出現が期待されます。 高温超伝導現象も相関電子が示す多彩な顔の一つであり、電子相の融解や相競合が、超伝導発現の本質であるとされています。

研究テーマ一覧

超伝導機構の解明と開拓
量子スピン液体の探索
幾何学的フラストレーション格子上の電荷液体
スピン軌道相互作用が誘起する新奇電子相の開拓
巨大電子エントロピーの設計と熱電変換技術への応用

超伝導機構の解明と開拓

新奇な超伝導体の開拓と高温超伝導機構解明の研究を推進しています。 これまで銅酸化物超伝導において、高温超伝導が発現する直前に現れる擬ギャップ相の概念の確立 、擬ギャップ相の背景に隠れた電子結晶状態の発見などに、当研究室は貢献してきました。 ここから超伝導の発現機構を解明すべく、新しいアプローチを模索しています。 これらの研究と並行して“面白い”超伝導体の設計と探索に尽力しています。 ここ1,2年では(Ru,Rh)Pの擬ギャップ臨界点での超伝導の発見、 スピン軌道相互作用の効果でパウリ極限を破る高い臨界磁場を誇るTa2PdS5、 半金属ながら強結合超伝導を示すSrPt3Pなどを発見しました。

量子スピン液体の探索

反強磁性的に相互作用するスピンを三角格子上に置くと、幾何学的にすべての結合を反強磁性にすることができません。 この効果は幾何学的フラストレーションと呼ばれ、磁気秩序を著しく妨げることが知られています。 この効果と量子効果の協奏により、 ある種の三角形を基本とする格子上では絶対零度でも長距離の磁気秩序を示さない量子スピン液体と呼ばれる状態が基底状態となると指摘され、 量子スピン液体を現実の物質で実現することは、磁性物理学の長年の夢とされてきました。 当研究室では、広範な物質探索の中で、ハイパーカゴメ構造を有するイリジウム酸化物Na4Ir3O8に着目しました。この物質は磁性体であるにも関わらず、極低温まで磁気秩序を示さないことが発見され、量子スピン液体状態が実現していると考えられています。 この物質は有機物三角格子磁性体とともに、量子スピン液体の最有力候補の一つであるとされ、 期待されるスピノンフェルミ面、隠れたカイラル秩序の存在の検証を目指して、理論的・実験的研究が現在世界的規模で盛んに進められています。 最近では、Kitaev型スピン液体と呼ばれる新しいタイプのスピン液体の探索も進めています。

幾何学的フラストレーション格子上の電荷液体

LiV2O4スピネル酸化物では、Vの原子価が3.5+と半整数で、 1:1のV3+とV4+が、強いフラストレーション効果で知られるパイロクロア格子上に存在します。 クーロンエネルギーの観点から、V3+とV4+は隣り合おうとするので、スピン系と同様に、電荷配列のフラストレーションが生じます。 量子スピン液体の電荷版であるLiV2O4の基底状態が、電子の有効質量が100を超える重い電子状態になっていることを実験的に示しました。 さらにその起源が電子相関とフラストレーションの協奏にあることを、光学応答を用いたエネルギー階層の検討から明らかにしました。 これまでに知られる近藤効果メカニズムとは異なる、新たな重い電子形成メカニズムを示唆します。

スピン軌道相互作用が誘起する新奇電子相の開拓

遷移金属酸化物における電子相探索の舞台は、これまで最も電子相関の強い3d 遷移元素からなる複合酸化物でした。 重い5d 遷移金属元素を含む酸化物は軌道の空間的な拡がりが大きいために、 相関効果が弱くモット絶縁体(電子固体)状態は生じないとされてきました。 ところが、最近5dイリジウム酸化物でもモット絶縁体状態になる例が次々と見つかり、大きな謎が投げかけられました。 電子バンド幅の2eVに比肩する0.5eVの重元素に特徴的なスピン軌道相互作用による軌道運動状態の復活がその起源との作業仮説のもと、 層状5d イリジウム酸化物Sr2IrO4について、軌道放射光を用いた共鳴磁気X線回折実験をSPring-8放射光施設を用いて行ってきました。 その結果IrのL 吸収端の共鳴選択則から、 強いスピン軌道相互作用により最外殻の5d 電子が軌道自由度をほぼ完全に回復した状態(J1/2)にあることが明らかとなりました。 この事実は、スピン軌道相互作用誘起のモット電子固体状態の出現を意味します。 新奇電子相の実証に加えて、共鳴磁気X線回折の新しい利用法の提示により、放射光科学にも大きなインパクトを与えています。

巨大電子エントロピーの設計と熱電変換技術への応用

多自由度系の特徴を反映して、相関電子はしばしば極めて高いエントロピーを有します。 このエントロピーを電流として運ぶことにより高効率の熱電変換が原理的に可能となります。 このような原理に基づいて、新規熱電変換材料の探索を進めています。 高エントロピーの特徴は運動量空間では平坦バンドとして現れます。 これに着目して、バンド計算を用いた設計を並行して進めています。 このアプローチによりスピネル酸化物からなる新規熱電材料を開発しました。