Research Projects -
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極限定常磁場下での精密熱輸送測定の実装とエキゾチック凝縮相の物性開拓
Grant number：22KK0036 2022.10 - 2028.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)) 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
笠原 成, 木原 工, 今城 周作
Grant amount：\20150000 （ Direct expense: \15500000 、 Indirect expense：\4650000 ）
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時間および空間反転対称性を破る奇パリティ・アナポール秩序の解明
Grant number：21H04443 2021.04 - 2025.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A) 基盤研究(A)
笠原 成
Grant amount：\43290000 （ Direct expense: \33300000 、 Indirect expense：\9990000 ）
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Precision measurements of quantum liquid crystals
Grant number：19H05824 2019.06 - 2024.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area) Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
花栗 哲郎, 佐藤 卓, 笠原 成, 芝内 孝禎, 清水 康弘, 廣理 英基, 和達 大樹
Grant amount：\349440000 （ Direct expense: \268800000 、 Indirect expense：\80640000 ）
電荷液晶に関して、鉄系超伝導体FeSeにおけるSeのTe置換の研究に着手した。Te置換を行うと、ネマティシティとバンド構造のトポロジーが変化する。これまで、相分離のために通常の作製方法では低Te置換領域の単結晶が得られなかったが、化学蒸気輸送法を用いて単結晶作製に成功した。これにより、電子相図が明らかになった他、STMを用いた電子状態評価も可能になった。
スピン液晶に関しては、Kitaev量子スピン系候補物質RuCl3の磁気励起をNMRによって詳細に調べ、分数化した準粒子の根拠となる2種類のスピンギャップの存在を突き止めた。また、RuX3 (X = Br, I) の中性子回折実験を行い、結晶構造および磁気構造を決定した。さらに、Ca3ReO5Cl2におけるスピノン束縛状態や、バナジウム硫酸塩におけるスピンネマティック相を中性子実験によって調べた。
電子対液晶に関しては、昨年度に引き続きFeSeにおけるFFLO状態の研究を行った。特に、精密比熱測定により、上部臨界磁場よりも低磁場において比熱の磁場依存性に明瞭なキンクを観測し、STMの結果と合わせて、FFLO状態の節が表面にピン止めされるモデルを提唱した。
手法開発では、X線自由電子レーザーの超短パルス性を利用して時間分解X線分光を行い、元素別磁化ダイナミクスを観測した。また、超短パルスの赤外線レーザーを用いた時間分解磁気光学顕微鏡の建設を行い、レーザー照射後の強磁性体薄膜のスピンのダイナミクスをサブミクロン、フェムト秒のスケールで観測できるようになった。また、低温強磁場中でTHz-STMを行うための導光技術の開発を行い、約1 m離れた場所に励起レーザーやTHzパルスビームを制御して照射可能になった。 -
Rotational symmetry breaking in strongly correlated quantum matters
Grant number：18H05227 2018.06 - 2023.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S) Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
松田 祐司, 芝内 孝禎, 笠原 成, 笠原 裕一, 柳瀬 陽一
Grant amount：\198250000 （ Direct expense: \152500000 、 Indirect expense：\45750000 ）
(1) 鉄系高温超伝導体のネマティック揺らぎのもたらす異常電子状態
Fe(Se1-xSx)におけるネマティック量子臨界点(x ~ 0.16)において超伝導のギャップ構造が劇的に変わることを明らかにした[Y. Sato et al., PNAS (2018); T. Hanaguri et al., Sci, Adv. (2018)]。さらに強磁場中のノーマル状態の輸送現象が、ネマティック揺らぎにより非フェルミ流体的な振る舞いを示すことも明らかにした[S. Licciardello et al., Nature (2019)]。
(2) 量子スピン液体のエキゾチック準粒子
3次元パイロクロアPr2Zr2O7 では、100 mK 以下において熱伝導が異常に大きくなる現象が観測され、これがトポロジカル励起であるフォトン励起である可能性を示した。また1-2K では量子モノポール励起も観測されることも示した[Y. Tokiwa et al., J. Phys. Soc. Jpn. (2018)]。さらにキタエフ・スピン液体候補物質であるα-RuCl3 に対し熱ホール効果の測定を行い、有限の熱ホール効果が観測されるだけでなく[Y. Kasahara et al., Phys. Rev. Lett. (2018)]、熱ホール効果が半整数値に量子化されることを発見した[Y. Kasahara et al., Nature (2018)]。これはマヨラナ粒子と非可換エニオンの存在を直接示すものであり、分数量子ホール効果における電荷の分数化と同様にスピンの分数化の証拠を与える。
(3) 絶縁体における量子振動の観測
近藤絶縁体YbB12 において量子振動測定を行ない、その結果、磁化だけでなく電気抵抗にも量子振動が現れることを発見した[Z. Xiang et al., Science (2018)]。 -
擬ギャップ状態における対称性の破れの解明
2018.04 - 2021.03
文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(B)
笠原 成
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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量子スピン液体における創発準粒子の解明
Grant number：18H03680 2018.04 - 2021.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A)
松田 祐司, 笠原 成, 笠原 裕一, 宇田川 将文
Grant amount：\45110000 （ Direct expense: \34700000 、 Indirect expense：\10410000 ）
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次世代高感度磁気トルク測定の構築と強相関電子系への応用
2016.04 - 2019.03
文部科学省 科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究
笠原 成
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Superconductivity and nematicity in iron-based superconductors
Grant number：16H04024 2016.04 - 2019.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Hanaguri Tetsuo, KASAHARA Shigeru, MACHIDA Tadashi, MATSUDA Yuji, SHIBAUCHI Takasada, TAMEGAI Tsuyoshi, EREMIN Ilya
Grant amount：\15730000 （ Direct expense: \12100000 、 Indirect expense：\3630000 ）
Relation between superconductivity and nematicity, which is spontaneous breaking of lattice rotational symmetry, has been argued in iron-based superconductors. We suppressed nematic phase of FeSe by substituting S for Se and investigated evolutions of band structure and superconducting gap by spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy. We found that the band structure evolves smoothly across the nematic end point whereas the superconducting gap exhibits abrupt change. This result indicates that nematicity plays important role for superconductivity.
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Exotic electroinc state and quantum condensate in ultra-shallow band materials(Fostering Joint International Research)
Grant number：15KK0160 2016.04 - 2018.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research)
Shigeru Kasahara
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
The superconducting semimetal FeSe has been found to be deep inside the BCS-BEC crossover regime. In this work, a team of scientists has investigated heat transports in FeSe in intensive fields up to 35 T and found compelling evidence of a distinct high-field superconducting phase which is separated from the usual superconducting phase via a first-order phase transition. This high-field phase is attributed to an exotic state, the so-called FFLO phase, first predicted in 1964. In the isovalently substituted FeSe1-xSx superconductors, the team found non-Fermi liquid charge transports in the vicinity of a novel type of quantum critical point (QCP) of pure nematic order without accompanying other orders. The set of anomalous charge transport properties show striking resemblance to those reported in high-Tc cuprates and heavy Fermion superconductors. A common set of anomalous charge transport properties captures a universal feature of the non-Fermi liquid transport properties near the QCP.
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超シャロウバンド物質における新奇電子状態と量子凝縮相
2015.04 - 2018.03
文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(B)
笠原 成
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Fabrication of Heavy Fermion Superlattices
Grant number：25220710 2013.05 - 2018.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S) Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
Matsuda Yuji
Grant amount：\244270000 （ Direct expense: \187900000 、 Indirect expense：\56370000 ）
By fabricating various artificial superlattices made of heavy fermion compounds, we studied the quantum criticality and novel superconducting states in strongly correlated electron systems. In hybrid superlattices consisting of alternating atomic layers of d-wave superconductor CeCoIn5 and antiferromagnetic metal CeRhIn5, we demonstrated that superconducting pairing can be tuned nontrivially by magnetic fluctuations injected through the interface. In tricolor Kondo superlattices, where CeCoIn5 sandwiched by two different nonmagnetic metals, we found that the Rashba spin-orbit interaction induced global inversion symmetry breaking leads to profound changes in the superconducting properties of CeCoIn5. We also succeeded the in-situ STM observation of electronic structure of CeCoIn5 and CeRhIn5 thin films. We found that the films have very wide atomically flat terraces, demonstrating that the Kondo lattices grown MBE provide a new playground for exploring exotic superconducting states.
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鉄系超伝導体におけるスピン及び軌道の物理と異常常伝導相の研究
2012.04 - 2015.03
文部科学省 科学研究費補助金 若手研究(A)
笠原 成
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Phase structures of superconducting gaps in iron-based superconductors
Grant number：24340089 2012.04 - 2015.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
HANAGURI Tetsuo, NIITAKA Seiji, KITAGAWA Kentaro, SASAGAWA Takao, KIM KeeHoon, WATASHIGE Tatsuya, KASAHARA Shigeru, SHIBAUCHI Takasada, MATSUDA Yuji, WOFT Thomas, MEINGAST Christoph, V. LÖHNEYSEN Hilbert
Grant amount：\20020000 （ Direct expense: \15400000 、 Indirect expense：\4620000 ）
We have used spectroscopic imaging scanning tunneling microscopy to investigate the superconducting gaps and the electronic states of the iron-based superconductors LiFeAs and FeSe. We found that some defects in LiFeAs generate in-gap bound state. We also examined the effects of twin boundaries on the superconducting gap of FeSe and found that the twin boundary induces a novel superconducting state that breaks the time-reversal symmetry. The band dispersions of FeSe were determined by the quasi-particle interference effect. The estimated Fermi energy is smaller than 10 meV, being of the same order as the superconducting gap. This means that FeSe is in the BCS-BEC crossover regime. The observed quasi-particle interference patterns possess strong in-plane anisotropy which may reflect the orbital ordering in this material.
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角度分解トンネル分光測定の開発
2012.04 - 2014.03
文部科学省 科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究
笠原 成
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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Elucidating the origin of high temperature superconductivity in iron-pnictides via the growth of epitaxial thin films
Grant number：21740254 2009.04 - 2011.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
KASAHARA Shigeru, TERASHIMA Takahito, SHIBAUCHI Takasada, MATSUDA Yuji
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
We have succeeded in in-situ growth of epitaxial thin films of iron-pnictides, which are remarked as the second generation materials of high temperature superconductors. Optimally doped superconducting thin films are successfully grown by pulsed laser deposition (PLD) technique using exima laser. We have also grown single crystalline samples which complement the thin films and performed precise experiments on the physical properties of the obtained materials.
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時間反転対称性の破れを伴った超伝導状態におけるドメイン構造の研究
Grant number：18740214 2006.04 - 2008.03
文部科学省 科学研究費補助金 若手研究(B) 若手研究(B)
笠原 成
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
時間反転対称性の破れた超伝導状態を示す充填スクッテルダイト化合物PrOs_4Sb_<12>において、微小ホール素子法により試料表面における局所的な磁化を測定し、これによる自発的内部磁場の直接観測と、その空間分布に関する知見を得ることを目的とした実験を行なった。対象物質であるPrOs_4Sb_<12>は、Pr元素に基づく初の重い電子超伝導体であり、超伝導二段転移や秩序関数が内部自由度を伴った多重超伝導の可能性、超伝導状態そのものの発現により微弱な内部磁場を発生させる時間反転対称性の破れた超伝導等、数多くの特異な現象を示す。
本研究の第一の研究成果として、PrOs_4Sb_<12>の超伝導二段転移に関する知見を得たことが挙げられる。微小ホール素子を複数配列させた局所磁化の多点測定により、PrOs_4Sb_<12>では異なる転移温度を与える二つの相がミクロンスケールで不均一に分布していることが明らかになった。この起源としては希土類充填率の不完全性が考えられ、不完全な希土類充填率が存在するような試料内部では、本来の転移温度より高い超伝導転移が実現されている可能性が考えられる。第二の成果は、超伝導二段転移が明瞭に観測されるような試料表面においては、第一の超伝導転移直下より強磁性的な正の局所磁化が現れる場合があることを明らかにした点である。この局所磁化の異常は時間反転対称性の破れと関連すると考えられ、PrOs_4Sb_<12>における時間反転対称性の破れには、超伝導二段転移を与える高温相の存在が重要であることを示唆している。置換試料であるPr(Os_χRu_<1-χ>)_4Sb_<12>、並びに(Pr_<1-χ>La_χ)Os_4Sb_<12>では、超伝導二段転移と時間反転対称性の破れが観測される組成領域が全く同一であり、このことからも二つの特異な現象が密接に関連していることが示唆される。