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強相関電子系の異常金属相と非従来型超伝導

強相関電子系の異常金属相と非従来型超伝導

Simple on its own

Gather, a realm of wonder

More is different

用語解説(用語をクリックすると説明が展開します)

新しい現象を示す量子状態、量子相の発見こそが物性物理学の発展をもたらしてきたと言って過言ではありません。

身の回りの金属の性質はその中を走り回る電子の運動により支配されています。アルミニウム(Al)など単純な金属では、電子がそれぞれ独立に動き回るという近似、一体近似でその電子状態を記述できます。一方、電子は電荷を持ちお互いの間の斥力を感じます。この電子間相互作用が電子を局在化することで、電子の持つ様々な自由度(電荷、スピン、軌道)が多彩な量子相を生み出すことが知られ、多くの研究者を魅了してきました。その例として、高温超伝導や重い電子状態、多極子秩序など様々な新しい状態が実験的に見つかっています。

一方、電子相関の強い、「強相関電子系」では、もはや、一体近似は成り立たず、アボガドロ数の電子間の相関をすべて取り扱う必要が出てきます。そのため、現状の理論手法では太刀打ちできず、様々な近似法で理解を進める動きがあります。そのなかで、この分野を主導しているのは実験によるその多彩な量子相の解明です。特に、金属の電子論の構築に重要な現象に、強相関電子系における、(一体近似による)準粒子描像が成り立たない「異常金属(Strange Metal)」やBCS理論に従わない「非従来型超伝導」など非自明な現象が多くあります。これらは高温超伝導機構と関係しているだけでなく、量子臨界現象を通じてブラックホールなどの一般相対論と関係があることがわかってきています。

我々はこの新しい金属電子論の構築を目指して、世界的に著名なグループと協力しながら、実験的手法による研究を進めています。本質的な理解に迫る結果を引き出すには、乱れなどのない超純良な単結晶試料を自ら合成することができること、また、再現性の高いデータを高精度で測定できることが必要です。私たちの研究室はまさにこのような世界最先端の環境を備えています。その上で、なるべく単純なハミルトニアンで記述できるような理想的な系を探し出し、低温物性の測定から新しい物理現象を発見することを目的に研究を進めています。

例えば、軌道(電気四極子)揺らぎによる異常金属状態と超伝導の発見があります[1-4]。鉄系超伝導体を始めd電子系ではスピンと軌道両方の自由度を持つために複雑であり、現象の起源を探る物性研究は大変困難です。一方、我々が発見したPrTr2Al20系は低温で軌道(とさらに高次の磁気八極子)の自由度のみを持つ非常にシンプルな系であり、軌道自由度の量子物性の研究に最適です。Al2pの伝導電子と、Pr4fの局在電子との間のエンタングルメントが引き起こす金属状態は、まさに、異常金属の代表例として注目され、高温超伝導の出現など、非常に興味深くチャレンジングなテーマを提供しています。

 

また、最近では、我々がYb系重い電子系では超伝導が現れないという常識を覆して発見した超伝導体YbAlB4[5]が常圧で異常金属相[6,7]を実現し、その発現機構に電荷の量子揺らぎが重要であることを見出しました[8]。これは異常金属の謎を解く重要な手掛かりになるとして期待されています。

関連論文

[1] Y. Shimura et al., Phys. Rev. Lett. 122, 256601 (2019).

[2] M. Tsujimoto et al., Phys. Rev. Lett. 113, 267001 (2014).

[3] K. Matsubayashi et al., Phys. Rev. Lett., 109, 187004 (2012).

[4] A. Sakai and S. Nakatsuji, J. Phys. Soc. Jpn., 80, 063701 (2011).

[5] S. Nakatsuji et al., Nat. Phys., 4, 603 (2008).

[6] T. Matsumoto et al., Science, 331, 316 (2011).

[7] T. Tomita et al., Science, 349, 506 (2015).

[8] K. Kuga et al., Science Adv., 8, 3547 (2018).

研究ハイライト

Extremely large magnetoresistance and anisotropic transport in the multipolar Kondo system PrTi2Al20

T. Isomae, A. Sakai, M. Fu, T. Taniguchi, M. Takigawa, S. Nakatsuji, Phys. Rev. Research 6, 013009 (2024).

Multipolar Kondo systems offer unprecedented opportunities to design astonishing quantum phases and functionalities beyond spin-only descriptions. A model material platform of this kind is the cubic heavy fermion system PrT2Al20 (T=Ti, V), which hosts a nonmagnetic crystal-electric-field ground state and substantial Kondo entanglement of the local quadrupolar and octopolar moments with the conduction electron sea. Here, we explore the magnetoresistance (MR) and Hall effect of PrTi2Al20, which develops ferroquadrupolar (FQ) order below TQ∼2 K, and compare their behavior with that of the MR and Hall effect of the non-4f analog, LaTi2Al20. In the FQ ordered phase, PrTi2Al20 displays extremely large magnetoresistance (XMR) of ∼103%. The unsaturated, quasilinear field (B) dependence of the XMR violates Kohler's scaling and defies description based on carrier compensation alone. By comparing the MR and the Hall effect observed in PrTi2Al20 and LaTi2Al20, we conclude that the open-orbit topology on the electron-type Fermi surface sheet is key for the observed XMR. The low-temperature MR and the Hall resistivity in PrTi2Al20 display pronounced anisotropy in the [111] and [001] magnetic fields, which is absent in LaTi2Al20, suggesting that the transport anisotropy ties in with the anisotropic magnetic field response of the quadrupolar order parameter.

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© Isomae et al. (2024) (CC BY 4.0)

High-temperature antiferromagnetism in Yb based heavy fermion systems proximate to a Kondo insulator

S. Suzuki, K. Takubo, K. Kuga, W. Higemoto, T. U. Ito, T. Tomita, Y. Shimura, Y. Matsumoto, C. Bareille, H. Wadati, S. Shin, S. Nakatsuji, 
Phys. Rev. Res.
3, 023140 (2021).

Given the parallelism between the physical properties of Ce- and Yb-based magnets and heavy fermions due to the electron-hole symmetry, it has been rather odd that the transition temperature of the Yb-based compounds is normally very small, as low as ∼1K or even lower, whereas Ce counterparts may often have the transition temperature well exceeding 10 K. Here, we report our experimental discovery of the transition temperature reaching 20 K in a Yb-based compound at ambient pressure. The Mn substitution at the Al site in an intermediate valence state of α−YbAlB4 not only induces antiferromagnetic transition at a record high temperature of 20 K but also transforms the heavy-fermion liquid state in α−YbAlB4 into a highly resistive metallic state proximate to a Kondo insulator.

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©︎ Suzuki et al.(2021), published under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license (CC BY 4.0)

Unveiling Quadrupolar Kondo Effect in the Heavy Fermion Superconductor PrV2Al20

M. Fu, A. Sakai, N. Sogabe, M. Tsujimoto, Y. Matsumoto, S. Nakatsuji, J. Phys. Soc. Jpn. 89, 013704 (2020).

Heavy fermion metals hosting multipolar local moments set a new stage for exploring exotic spin–orbital entangled quantum phases. In such systems, the quadrupolar Kondo effect serves as the key ingredient in the orbital-driven non-Fermi liquid (NFL) behavior and quantum critical phenomena. The cubic heavy fermion superconductor PrTr2Al20 (Tr: Ti, V) is a prime candidate for realizing the quadrupolar Kondo lattice. Here, we present a systematic study of the NFL phenomena in PrV2Al20 based on magnetoresistance (MR), magnetic susceptibility and specific heat measurements. Upon entering the NFL regime, we observe a universal scaling behavior expected for the quadrupolar Kondo lattice in PrV2Al20, which indicates a prominent role of the quadrupolar Kondo effect in driving the NFL behavior. Deviations from this scaling relation occur below ∼8 K, accompanied by a sign change in the MR and a power-law divergence in the specific heat. This anomalous low-temperature state points to the presence of other mechanisms which are not included in the theory, such as heavy fermion coherence or multipolar quantum critical fluctuations.

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©2020 The Physical Society of Japan

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