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 理学部 物理学科 物性物理学教室
 Solid State Physics Laboratory

教授:
  西尾 豊
准教授:
  田嶋 尚也
■ 概要
物性物理学教室では,さまざまな物質中における電子の動的な性質についての理解を得ることを目的とした実験的研究をおこなっている。研究対象は,有機半導体,有機超伝導体,新たに発見した有機ゼロギャップ伝導体などである。液体ヘリウムを用いた低温装置(4He冷凍器,3He冷凍器,3He-4He希釈冷凍器)により,室温(絶対温度300K)から極低温(0.05K)まで, 超伝導磁石(7T横磁場型,9Tおよび14T縦磁場型)を用いた強磁場中, クランプセル型の圧力印加装置によって最大30kbarの圧力下で, 電気抵抗, ホール効果, 磁気抵抗などの電子輸送現象および比熱,潜熱などの熱測定の装置を保有し研究を行なっている。
1. 分子性ディラック電子系の層間相互作用と特異なスピン分裂
質量ゼロの電子が主役であるディラック電子系が有機伝導体α-(BEDT-TTF)2I3の高圧力下で実現した。グラフェンと異なり、これは最初のバルクな(多層)ディラック電子系である。ディラック電子系の特徴の1つを磁場下で見ることが出来る。通常、磁場をかけると固体中の電子のエネルギーは、とびとびの値をとり、これをランダウ準位と呼ぶ。通常の導体のランダウ準位はENLL∝NBと表されるが、ディラック電子系ではENLL∝(|N||B|)1/2で記述される特別な構造をとるのである。最も特徴的なのは、ゼロモードと呼ばれるN=0のランダウ準位が磁場下で常にディラック点の位置に現れることである。我々はこのゼロモードキャリアとそのスピン分裂を輸送現象測定から検出してきた。
最近、低温、高磁場下でスピン分裂がランダウ準位の広がりよりも十分大きい場合には、N=0量子ホール強磁性状態が実現することが長田により指定された。従って、この物質はN=0量子ホール強磁性状態が積層した系では、層間相互作用がどのような物理現象をもたらすかの興味深い問題を提供する。
そこで本研究では、N=0, -1, -2それぞれのランダウ準位におけるスピン分裂から上記問題に取組んだ。N=0ランダウ準位のスピン分裂は通常(バルク)結晶の層間磁気抵抗から、他のランダウ準位はプラスチック基板デバイスによる量子磁気抵抗振動の観測から調べることを計画した。
その結果、この系のランダウ準位は低温で異常なスピン分裂を示すことがわかった。有効g因子は2K以上の温度域で約2だが、それ以下の温度域では急激に減少するのである。この結果は、久保と森成による層間相互作用を取り入れた理論計算で定性的に説明された。
2. BETS2FeX4系の超伝導と磁性の共存と競合
本研究室では磁場誘起超伝導体λ-BETS2FeCl4のゼロ磁場で起こる常磁性金属(PM)-反強磁性絶縁体(AFI)転移の熱力学的研究を行い、分子磁性体特有の低次元性とπ-d相互作用を鍵とした新しい相転移機構の可能性を見出した。π電子とdスピン間に強い相互作用をもつλ型は、常磁性金属-反強磁性絶縁体転移(PM-AFI転移)を経てできるAF絶縁体状態と超伝導状態が競合した系である。一方のκ型は、局在スピンの反強磁性秩序と超伝導状態が共存した系である。このような基底状態における物性の違いにπ-d相互作用が果たす役割に注目をして以下の研究を行なった。
2.1 λ型BETS2FeCl4における常磁性金属‐反強磁性絶縁体転移
λ型BETS2FeCl4の反強磁性絶縁体 (AFI) 相において比熱測定を行ったところ、Feスピンに由来する大きな自由度が観測され、低温比熱測定からAFI相形成後も大きな自由度が凍結せずに残っていることを発見した。これは従来考えられてきたスピンとFeスピンが強く結合して反強磁性転移を起こす描像からは説明できないものであった。
そこで、このAFI相形成の機構解明のため反強磁性秩序がどのようなスピン構造を有しているのか、強磁場でどのように反強磁性絶縁体相は抑制され金属相へ転移するのかについて、熱測定および輸送現象測定より検討した。
その結果、πスピン系が2次元磁気秩序形成する際に観測される内部磁場の成長過程が比熱より観測された。またFe濃度の稀薄化に対しても、πスピンが反強磁性秩序を形成しているため、その低次元磁性は変化しないことを明らかにした。
2.2 κ型BETS2FeBr4系の超伝導-反強磁性秩序の共存
κ型BETS2FeBr4塩でみられる超伝導相と共存する反強磁性秩序について磁気比熱の温度依存性を子細に検討し、Feの3dスピン系が2次元磁気秩序を形成するときに観測される対数発散を見出した。また2 T以上の強磁場領域で観測される磁場誘起金属相において、外部磁場およびπ-d相互作用を考慮しただけでは理解できない比熱異常を見出した。
3. X[Pd(dmit)2]2系のフラストレーションと電荷分離転移
X[Pd(dmit)2]2系では主に、アニオン分子が強く2量体を形成し、各2量体には強い電子相関によって局在した1/2スピンを持つMott絶縁体である。さらに、これが準正三角格子に配置されスピン間には反強磁性相互作用を持つためフラストレーションを起こしている系である。カチオン分子(X)としてEt2Me2Sbを有する系では強いフラストレーションにより、反強磁性秩序は形成されず、電荷分離転移を起こして非磁性化する。これに静水圧を印加するとMott絶縁体から金属へ転移をするため、Mott絶縁体、電荷分離、金属の3相が共存する系である。これらの系で圧力下の比熱測定、熱起電力測定、電気抵抗測定を行った。その結果、圧力の印加とともにMott絶縁体‐電荷分離転移温度が上昇し、上昇の途中0.4~0.5 Gpa近傍でMott絶縁体相から金属相へ転移をすること、低温相である電荷分離相は変わらないことを明らかにした。
■ 当該年度研究業績数一覧表
研究者名 刊行論文 著書 その他 学会発表 その他
発表
和文英文 和文英文 国内国際
















西尾 豊   教授
    1          
 15
(9)
 
 8
(7)
 
 
田嶋 尚也   准教授
   1 4          2
(1)
 13
(7)
 1
 6
(6)
 
 
 0 1  0 0  0  2
(1)
 1
(0)
 0
(0)
研究者名 刊行論文 著書 その他 学会発表 その他
発表














西尾 豊   教授
         
 
 
田嶋 尚也   准教授
  1       2
(1)
 1
 
 0 1  0 0  0  2
(1)
 1
(0)
 0
(0)
(  ):発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会 (  ):発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
■ 刊行論文
原著
1. T. Kusamoto, H. M. Yamamoto, N. Tajima, Y. Oshima, S. Yamashita, and R. Kato:  Bilayer Mott System with Cation…Anion Supramolecular Interactions Based on a Nickel Dithiolene Anion Radical: Coexistence of Ferro- and Antiferromagnetic Anion Layers and Large Negative Magnetoresistance.  Inorganic chemistry  52 :4759 -4761 , 2013
2. N. Takubo, N. Tajima, H. M. Yamamoto and R. Kato:  Nonlinear photocurrent with threshold of excitation density induced by long-range electron--electron interaction in a charge-ordered molecular conductor (BEDT-TTF)3(ClO4)2.  Journal of Physics: Condensed Matter  26 :055603-1 -055603-6 , 2014
3. M. Abdel-Jawad, N. Tajima, R. Kato, and I. Terasaki,:  Disordered conduction in single-crystalline dimer Mott compounds.  Physical Review B  88 :075139-1 -075139-5 , 2013
4. N. Tajima, T. Yamauchi, T. Yamaguchi, M. Suda, Y. Kawasugi, H. M. Yamamoto, R. Kato, Y. Nishio, and K. Kajita,:  Quantum Hall Effect in Molecular Dirac Fermion Systems with Tilted Cones.  Physical Review B  88 :075315-1 -075315-6 , 2013
5. Takubo N., Tajima N., Cui H., Kato R. and Yamamoto H. M.:  Photoinduced metal-insulator phase transition in the charge-ordered organic salts (BEDT-TTF)3X2 (X = ReO4, ClO4) is stabilized by lattice distortions.  Physical review letters  110 :227401-1 -227401-4 , 2013
■ 学会発表
国内学会
1. 山内貴弘,小澤拓弥,田嶋尚也,須田理行,川椙義高,山本浩史,加藤礼三,西尾豊,梶田晃示: 分子性Dirac電子系への正孔注入効果と量子伝導現象.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
2. 小澤拓弥,山内貴弘,田嶋尚也,加藤礼三,西尾豊,梶田晃示: 分子性Dirac電子系の高圧下輸送特性.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
3. 田嶋尚也,小澤拓弥,山内貴弘,須田理行,川椙義高,山本浩史,加藤礼三,西尾豊,梶田晃示: 分子性Dirac電子系の低温問題.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
4. 島本匠弥,荒井健一,鷹野芳樹,開康一,高橋利宏,田嶋尚也,加藤礼三,内藤俊雄: 有機導体α-(BEDT-TSeF)2I3単結晶の13C-NMR II.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
5. 山田翔太,上田顕,磯野貴之,吉田順哉,中尾朗子,熊井玲児,中尾裕則,村上洋一,吉澤英樹,西尾豊,田嶋尚也,梶田晃示,森初果: κ-D3(Cat-EDT-TTF)2における重水素置換効果.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
6. 杉浦栞理,嶋田一雄,田嶋尚也,梶田晃示,西尾豊,加藤礼三,小林昭子: 有機導体λ-(BETS)2FeCl4の強磁場下における金属 絶縁体転移近傍の伝導特性.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
7. 牟田翔馬,奥澤唯,嶋田一雄,西尾豊,田嶋尚也,梶田晃示,小林速男,小林昭子: κ-(BETS)2FeX4 (X=Br,Cl)の強磁場中の比熱2.  日本物理学会,  東海大湘南キャンパス,  2014/03
8. 奥澤唯,牟田翔馬,嶋田一雄,西尾豊,田嶋尚也,梶田晃示,小林昭子,小林速男: κ-(BETS)2FeX4(X=Br,Cl)の電流磁気効果.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
9. 山内貴弘,田嶋尚也,須田理行,川椙義高,山本浩史,加藤礼三,西尾豊,梶田晃示: 多層Dirac電子系における量子ホール状態と量子ネルンスト効果.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
10. 小澤拓弥,山内貴弘,田嶋尚也,加藤礼三,西尾豊,梶田晃示: 分子性Dirac電子系の高圧下ホール効果.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
11. 杉浦栞理,嶋田一雄,田嶋尚也,西尾豊,梶田晃示,加藤礼三,小林昭子,小林速男: 有機導体λ-(BETS)2FeCl4の磁場下における金属 絶縁体転移近傍の熱異常と伝導特性.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
12. 田嶋尚也,小澤拓弥,山内貴弘,須田理行,川椙義高,山本浩史,加藤礼三,西尾豊,梶田晃示: 多層Dirac電子系の低温異常.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
13. 嶋田一雄,秋葉宙,杉浦栞理,廣瀬桃子,田嶋尚也,西尾豊,梶田晃示,加藤礼三,小林昭子,小林速男: π-d系有機導体λ-(BETS)2FeCl4の磁場による絶縁体転移の抑制と比熱異常.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
14. 牟田翔馬,奥澤唯,嶋田一雄,西尾豊,田嶋尚也,梶田晃示,小林昭子,小林速男: κ-(BETS)2FeX4 (X=Br,Cl)の強磁場中の比熱.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
15. 粟竹広大,田嶋尚也,梶田晃示,西尾豊,加藤礼三: Et2Me2Sb[Pd(dmit)2]2における三相競合(Mott絶縁体-金属-電荷分離).  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
16. 山田翔太,上田顕,磯野貴之,李相哲,加茂博道,中尾朗子,熊井玲児,中尾裕則,村上洋一,吉澤英樹,西尾豊,田嶋尚也,梶田晃示,森初果: ダイマーモット系κ-D3(Cat-EDT-TTF)2における水素結合由来の電荷秩序化.  日本物理学会,  徳島、日本,  2013/09
国際学会
1. Kazuo Shimada, Hiroshi Akiba, Sshiori Sugiura, Naoya Tajima, Koji Kajita, Yutaka Nishio, Reizo Kato, Akiko Kobayashi, Hayao Kobayashi: Compensation Effect of Magnetic Field in pi-d Electron System λ-BETS2FeCl4.  International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2013,  Tokyo, Japan,  2013/08
2. Ryuichi Kitamura, Naoya Tajima, Koji Kajita, Reizo Kato, Masafumi Tamura, Toshio Naito, and Yutaka Nishio: Thermoelectric Power in Multilayered Massless Dirac Fermion System α-(BEDT-TTF)2I3.  The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS,  Chiba, Japan,  2013/07
3. Takahiro Yamauchi, Naoya. Tajima, Masayuki Suda, Yoshitaka Kawasugi, Hiroshi M. Yamamoto,
Reizo Kato, Yutaka Nishio, Koji Kajita: Quantum Hall Effect in Molecular Dirac fermion systems.  The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS,  Chiba, Japan,  2013/07
4. Takuya Ozawa, Takahiro. Yamauchi, S. Kurosaka, Naoya Tajima, Reizo Kato, Yutaka Nishio Koji Kajita: Effects of Zero-Mode Landau Carriers on Transport in Dirac Fermion System α-(BEDT-TTF)2I3.  The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS,  Chiba, Japan,  2013/07
5. Kazuo Shimada, Hiroshi Akiba, Shiori Sugiura1, Naoya Tajima, Koji Kajita, Yutaka Nishio,
Reizo Kato, Akiko Kobayashi and Hayao Kobayashi: Temperature Dependence of Internal Field by Analysis of Specific Heat on an Organic Conductor λ-BETS2FeCl4.  The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS,  Chiba, Japan,  2013/07
6. Kota Awatake, Naoya Tajima, Koji Kajita, Reizo Kato and Yutaka Nishio: Seebeck Coefficient in Et2Me2Sb[Pd(dmit)2]2 under Hydrostatic Pressure.  The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS,  Chiba, Japan,  2013/07
7. Shiori Sugiura, Kazuo Shimada, Naoya Tajima, Koji Kajita, Yutaka Nishio
Reizo Kato, Hayao Kobayashi, Akiko Kobayashi: Electronic State of Metal-Insulator Transition in λ-BETS2FeCl4 under Magnetic Field.  The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS,  Chiba, Japan,  2013/07
8. N. Tajima, T. Yamauchi, M. Suda, Y. Kawasugi, H. M. Yamamoto, R. Kato, Y. Nishio and K. Kajita: Quantum Transport Phenomena in Molecular Dirac Fermion Systems.  20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems,  ヴロツワフ, ポーランド,  2013/07
  :Corresponding Author
  :本学研究者