-2008当研究室で得られた研究成果の一部をご紹介します。互いに反対を向こうとするスピンを配置すると幾何学的なフラストレーションが生じてしまいます。量子揺らぎの影響が最も顕著に現れるスピン1/2の場合には最低温度状態においても長距離秩序を持たないスピン液体と呼ばれる状態が現れることが理論的に予測されていましたが、その正体、特に最低エネルギー励起がどうなるかといった熱力学的特性は謎に包まれていました。この問題を明らかにするため、スピン液体状態となっていることがNMR測定などから明らかになった有機モット絶縁体κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3のスピン液体状態の熱伝導率測定を80mKの極低温まで行い、このスピン液体状態が最低励起に有限のエネルギーギャップを持つ種類のスピン液体状態であることを明らかにしました。驚くべきことに、実験結果から求められたギャップの大きさは理論的に予測されていた大きさよりもずっと小さいものであることがわかりました。これらの結果はスピン液体状態に関する、まだ完全に理解しえていないその本質の一部を示しているものと考えられます。MY)最低温度領域における熱伝導率測定の結果。ギャップレスだったときに現れるkappa/T項が低温極限で現れないことを示している。図中左上の図は三角格子におけるフラストレーションの模式図で、右下の図はkappa-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3における三角格子の様子。二量体化したBEDT-TTF分子上のスピン1/2がt'/t≒1の理想的三角格子を実現している。†エンタングルメント(からみあい)の概念は量子コンピュータや超伝導体の物理など、様々な場面で重要な役割を果たします。磁場中の第2種超伝導体における量子化された渦糸は、エンタングルメントを促進ような欠陥を導入することで、渦糸同士がもつれ合うことにより動きにくくなり、ゼロ抵抗を実現できる限界の電流密度を大きくできる可能性が理論的に示唆されてきました。今回、ビスマス系高温超伝導体中のBi原子を核分裂させることで、下図のような様々な方向に伸びる柱状欠陥を導入し、その渦糸状態をジョセフソンプラズマ共鳴という方法で調べました。渦糸が絡み合いにより臨界電流密度が増大した、スプレイドグラスという新しい状態が実現していることが実験的に初めて明らかになりました。重い電子系化合物における超伝導は、しばしば反強磁性秩序の近傍に出現することが知られています。このような超伝導がおこる起源については、従来の格子振動を媒介とするものではなく、反強磁性ゆらぎが媒介となったものが有力な候補です。このような場合には、超伝導の対称性が従来の等方的なs波ではなく、角度によって符号を変える異方的なものであると考えられ、実際に反強磁性近傍の超伝導体では、異方的な対称性が見いだされています。CeIrIn5では、反強磁性から遠く、図のように転移温度が2つめの山に位置するために反強磁性ゆらぎ以外の価数揺動などの新しい機構についても検討がなされてきました。より、(1)反強磁性近傍と同じ対称性dx2-y2をもつ超伝導であること、(2)反強磁性ゆらぎがまだ残っており、常伝導状態の物性にその効果が現れること、の2点が新たに明らかとなりました。これらの結果は、この系の超伝導機構は、おそらく価数揺動によるものではなく、反強磁性ゆらぎによるものが有力であることを示すものです。1986年の発見直後から、電気抵抗が普通の金属とは違う温度変化を示すなどの異常性が見出され、物理学の大きな問題となっています。この原因が特定できれば、高温超伝導の機構解明に重要な手がかりとなると考えられています。今回、タリウム系とよばれる高温超伝導体の電気抵抗を磁場中で詳細に調べた結果、45テスラという強い磁場中では異常性が消え、普通の金属に戻ることを発見しました。この結果は、高温超伝導発現に磁気的な機構が働いていることを明快に示しているだけでなく、絶対零度において量子相転移とよばれる新しい現象が存在することを示しています。TS)ニュースリリースはこちら。第2種超伝導体に磁場をかけると、量子化された渦糸という形で磁束が侵入し、その渦糸同士に反発力が働くことから、格子を組むことが知られています。K程度と高い高温超伝導体では大きな熱揺らぎのためにこの格子が融けて液体となる相転移が発見され大きな話題となりました。温度の低い超伝導体ではこのような融解転移は通常見られません。K程度の極低温において磁束格子融解の相転移が発見されました。K)を持つパイロクロア超伝導体KOs2O6では、その結晶構造にかご型の空間が存在し、その中でKイオンが動き回る「ガラガラ(赤ちゃん用のおもちゃ)」のようなラットリングという現象が起きています。K)において、比熱のとびが見つかり、1次相転移の存在が最近明らかになってきました。この相転移ではラットリングの動きが変化しているのではないかと考えられています。この相転移近傍での超伝導体中の磁場分布を調べたところ、超伝導体中の渦糸の分布が1次転移以下で予想以上に大きく変化することが明らかとなりました。このことは、ラットリングが超伝導に少なからず影響を及ぼしていることを示しており、ラットリングと超伝導の関係を明らかにする上で重要な結果であると考えられます。フェルミ液体的な常伝導状態など、数多くの異常物性を示すことから、非常に注目されている物質です。現在まで、単結晶を用いた研究が行われましたが、バルク物性測定に測定手法が限定されていました。薄膜化することで光電子分光、トンネル分光など表面敏感な測定や、微細加工によるパイ接合などの位相分解可能な測定への道が開けることが期待されます。Ce元素は非常に酸化されやすいため、なかなか良質な薄膜を得ることが困難でした。私達は低温物質科学研究センター(寺嶋研究室)と共同で、分子線エピタキシー法という超高真空下での薄膜作製技術を用いて、バルク結晶と遜色のない超伝導特性を示すc軸配向薄膜の作製に成功しました。強相関電子系では、しばしば超伝導ギャップにゼロ点(ノード)があらわれる非従来型の超伝導が実現し、その超伝導が反強磁性や強磁性などの磁気秩序と共存することが知られています。重い電子系超伝導体URu2Si2では、他の超伝導体とは異なり、非磁性の「隠れた秩序」とよばれる相と超伝導が共存し、その機構解明に向けて多くの研究がなされています。最近、非常に純良な単結晶試料が育成され、それを用いて電気・熱輸送特性を調べた結果、非常に奇妙な超伝導状態にあることが明らかとなってきました。隠れた秩序相ではキャリア数が非常に少なく、電子とホールが同数存在する半金属的な電子状態であり、電子バンドとホールバンドで、ギャップのノードがそれぞれ点状のものと線状のものとを持つことが実験的に初めて明らかになりました。この結果から、URu2Si2では、下図に示すようなカイラルd波の対称性を持つ超伝導が実現しているのではないかと考えられます。この対称性は時間反転対称性を破る新しいタイプのスピン一重項超伝導状態であり、今後のさらなる展開が期待できます。