理学部 物理学科 物性物理学教室
Solid State Physics Laboratory
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■ 概要
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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20kbar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。
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1.1 分子性ディラック電子系における量子ホール効果
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ディラック電子系の特徴の1つは磁場下に見られる。通常の導体とは異なるランダウ準位（EnLL∝(|n||B|)1/2）を持ち、ディラック点にゼロモードと呼ばれているN=0のランダウ準位が常に現れることが知られている。しかし、α-(BEDT-TTF)2I3ではゼロモードが関与した特徴的な現象は観測されているが、特別なランダウ準位構造を直接観測できていないのが現状である。本研究では、磁場下で形成されるこの系に特徴的なランダウ準位の観測を１つの目的とし、プラスチック基板に厚み約100nmの試料を固定して接触帯電法による試料へのキャリア注入効果を試みた。結果、約７×1011 cm-2の正孔を注入することに成功した。最も大きな成果は低温でこの系のランダウ準位が起因した量子抵抗振動と量子ホール効果を観測することに成功したことである。
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1.2 分子性ディラック電子系の低温・高磁場下におけるスピン分裂
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ディラック電子系の特徴の1つは、磁場中でディラック点の位置に常にn=0のランダウ準位が形成されることである。本研究では低温・高磁場でn=0のランダウ準位のスピン分裂を調べた。その結果、この系のスピン分裂はゼーマンエネルギーよりも磁場中のクーロンエネルギーが大きく反映していることを明らかにした。さらに磁場中のクーロンエネルギーが磁場増大と共にランダウ準位のエネルギーの幅を広げていることを示唆する結果が得られた。
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1.3 分子性ディラック電子系α-(BEDT-TTF)2I3における化学ポテンシャル
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α-(BEDT-TTF)2I3はグラフェンと異なり、電子-正孔対称性が良くないことが特徴の１つである。従って、化学ポテンシャルμの温度変化がこの系の電気伝導性に大変重要な役割を果たす。本研究では、電子ドープ型試料のホール効果測定からμの温度依存性を調べた。その結果、μの温度依存性は磁場強度で変化することが推測された。この磁場強度による変化は、電子-正孔対称性が関与するランダウ準位構造から定性的に理解できた。
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1.4 有機導体α-(BETS)2I3の伝導特性とゼロギャップ性
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α-(BETS)2I3はゼロギャップ伝導体の数少ない候補の一つである。本研究では、この物質でゼロギャップ伝導体に特有な現象が見られるかどうかを調べることを目的に、低温、高磁場における伝導度テンソルをα-(BEDT-TTF)2I3のテンソルと比較した。その結果、α-(BETS)2I3の伝導度テンソルの磁場依存性はα-(BEDT-TTF)2I3と定性的に同じであることが明らかになった。さらに、伝導度テンソルの磁場依存性がゼロギャップ伝導体を想定した理論の結果と良く合うことを示した。以上からα-(BETS)2I3は高圧力下でゼロギャップ伝導体であると結論した。さらに、低磁場極限では、電子系の特異なエネルギー構造に関する情報が含まれている伝導特性を、単純なモデルで理解できることを示すことにも成功した。
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1.5 ゼロギャップ伝導体の電子構造
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ゼロギャップ伝導体に最も特徴的な電子構造（伝導帯と価電子帯が一点で接しているコンタクトポイントの構造）を明らかにするため、圧力下のゼーベック効果の測定を開始した。低圧下で見られる電荷秩序転移温度近傍では電子の状態密度の消失による急激な減少が見られたが、ゼロギャップが実現している圧力下では緩慢な減少の後ゼーベック係数の符号反転が見られた。化学ポテンシャルμの温度変化を利用して、電子構造を見積もったところ、線形分散で期待される構造とは少し異なっていることが明らかとなった。
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1.質量ゼロの相対論的電子を有する有機導体
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我々の研究室では、高圧下にあるα-(BEDT-TTF)2I3は質量ゼロのディラック電子系（ゼロギャップ伝導体）であることが明らかにしてきた。質量ゼロのディラック電子系はグラフェンで大変話題になっているが、これはグラファイトを一層だけにした特殊物質である。それに対し，α-(BEDT-TTF)2I3は最初のバルクなディラック電子系である。また小林ら(名大)のバンド計算によると、α-(BEDT-TTF)2I3のディラック電子系はグラフェンとは異なり、ディラックコーンが大きく傾いている。従って、新しいタイプのディラック電子系が期待でき、最近急速にその物理が進展してきている。しかし、現在のところ典型的なゼロギャップ伝導体として知られているのはグラフェンとα-(BEDT-TTF)2I3のみであり、その探索はあまり進展がない。今のところ、α-(BEDT-STF)2I3, α-(BETS)2I3, θ-(BEDT-TTF)2I3（いずれの試料も高圧下）がその候補である。 今年度は有機導体で実現するディラック電子系の性質を明らかにすること、新たなディラック電子系の探索を行った。以下がその成果である。
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2. BETS2FeX4系の超伝導と磁性の共存と競合
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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。
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2.1 常磁性金属‐反強磁性絶縁体転移と基底状態
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λ型BETS2FeCl4のAFI基底状態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、λ-BETS2FeCl4のAFI基底状態、PM-AFI転移におけるπ電子とFeスピンのそれぞれの役割を明らかにするため、低温比熱、磁化率測定を行った。その結果、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。このため電子系が金属-絶縁体転移と同時に反強磁性秩序を形成し、これが作る内部磁場が隣接するFe 3dスピンを6準位にZeeman分裂させるλ-BETS2FeCl4のAFI基底状態において従来とは異なる新しい描像を提案した。
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2.2 π-d相互作用による転移および基底状態の制御
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PM-AFI転移の機構を明らかにするため、Feを非磁性Gaに置換した系(λ-BETS2FexGa1-xCl4)、FeCl4の一部をイオン半径の大きなBrに置換することでπ-d相互作用の増強が期待される系(λ-BETS2FeBryCl4-y)を用いてPM-AFI転移とAFI相のFe濃度依存性を調べた。λ-BETS2Fex Ga1-xCl4のAFI状態における内部磁場や転移温度はどちらもFeスピンおよびBr濃度の増大（π-d相互作用の増強）に対して強められていることを明らかにした。
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2.3 反強磁性秩序の低次元性
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転移の性格を明らかにするため、π電子系がAFI相を形成するときの自発磁化に関する情報をSchottky比熱の内部磁場によるエネルギー分裂幅から定量的に見積もった。その臨界現象を詳細に調べた結果、2次元の磁気秩序が形成されたときにみられる急激な内部磁場の成長過程を観測した。すなわちπ電子系は伝導の低次元性をそのまま低温の磁気秩序相に反映して常磁性金属- 2次元反強磁性絶縁体転移を引き起こしていることを示した。また3dスピン濃度を減少させても低次元性が保たれることが明らかとなった。
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2.4 強磁場中の電子状態
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d spin系及びπ電子系の状態を探るために、磁場下での比熱測定を行った。その結果、弱磁場では反強磁性に特徴的な磁場依存性が見られたが、磁場の増大に伴い２種の磁場を感じたスピン系へ移行し、強磁場誘起金属相では温度に比例した大きな比熱異常が観測された。この領域で、電気抵抗を測定し、金属領域で磁場の増大に伴って残留抵抗が減少し、比熱との対応関係が見つかった。
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■ Keywords
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電子物性, 有機伝導体, ゼロギャップ伝導体, 超伝導, 電子輸送現象, 熱測定、相転移, 角度依存磁気振動効果(梶田振動), 低温物理
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■ 教授・准教授・講師の公的役職
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1.
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西尾豊
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：就職主任
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2.
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田嶋 尚也
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：入試起草委員
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■ 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 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 |
演
者 | 共
演 | 演
者 | 共
演 |
演
者 | 共
演 |
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西尾 豊
教授
理学博士
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| | | 4 |
| | | |
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18
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1
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1
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田嶋 尚也
准教授
博士（理学）
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| | 1 | 4 |
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2
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15
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1
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| 計 |
0 | ／ | 1 | ／ |
0 | ／ | 0 | ／ |
0 | ／ |
2
(0) | ／ |
0
(0) | ／ |
0
(0) | ／ |
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| 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 |
筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 |
演
者 | 演
者
| 演
者 |
|
西尾 豊
教授
理学博士
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| |
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田嶋 尚也
准教授
博士（理学）
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| 1 |
| |
|
2
|
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| 計 |
0 | 1 |
0 | 0 |
0 |
2
(0) |
0
(0) |
0
(0) |
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( )：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
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( )：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
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■ 刊行論文
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原著
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1.
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Takahisa Shikama, Tatsuya Shimokawa, Sanguchul Lee, Takayuki Isono, Akira Ueda
Kazuyuki Takahashi, Akiko Nakao, Reiji Kumai, Hironori Nakao, Kensuke Kobayashi,
Youichi Murakami, Motoi Kimata, Hiroyuki Tajima, Kazuyuki Matsubayashi,
Yoshiya Uwatoko, Yutaka Nishio, Koji Kajita and Hatsumi Mori：
Magnetism and Pressure-Induced Superconductivity of
Checkerboard-Type Charge-Ordered Molecular Conductor
β-(meso-DMBEDT-TTF)2X (X = PF6 and AsF6).
Crystal
2012
(2)
：1502
-1513
, 2012
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2.
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Kusamoto T., Yamamoto H. M., Tajima N., Oshima Y., Yamashit S.a and Kato R.：
Bilayer Mott System Based on Ni(dmit)2 (dmit = 1,3-dithiole-2-thione-4,5-dithiolate) Anion Radicals: Two Isostructural Salts Exhibit Contrasting Magnetic Behavior.
Inorganic chemistry
51
：11645
-1654
, 2012
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3.
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Takubo N., Tajima N., Yamamoto H. M. and Kato R.：
Observation of photo-inducedinsulator-to-metaltransition in charge-ordered a-(BEDT-TTF)2I3 thin crystalbysimultaneous transport andopticalmeasurement.
Journal of Luminescence
137
：237
-240
, 2013
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4.
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Hiroshi Akiba, Hiroki Sugawara, Kento Nobori, Kazuo Shimada, Naoya Tajima, Yutaka Nishio, Koji Kajita, Biao Zhou, Akiko Kobayashi, and Hayao Kobayashi：
Paramagnetic Metal–Antiferromagnetic Insulator Transition of λ-BETS2FexGa1-xCl4 System.
Journal of the Physical Society of Japan
81
(5)
：053601-3
, 2012
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総説及び解説
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1.
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Tajima N, Nishio Y, Kajita K.：
Transport Phenomena in Multilayered Massless Dirac Fermion System α-(BEDT-TTF)2I3.
Crystals
2
：643-661
, 2012
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2.
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Hiroshi Akiba, Kazuo Shimada, Naoya Tajima, Koji Kajita and Yutaka Nishio：
Paramagnetic Metal—Antiferromagnetic Insulator Transition in π-d System λ-BETS2FeCl4, BETS = Bis(ethylenedithio)tetraselenafulvalene.
Crystals
2012
(2)
：984-995
, 2012
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■ 学会発表
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国内学会
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1.
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粟竹広大，爲木創太，田嶋尚也，西尾豊，梶田晃示，加藤礼三：
Pd(dmit)塩の相転移と熱電能II.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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2.
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下田将大，◎田嶋尚也，西尾豊，梶田晃示，田嶋陽子，高坂洋介，山本浩史，加藤礼三：
(Me-3,5-DIP)[Ni(dmit)2]2 における異常ホール効果.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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3.
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梶田晃示，三浦克哉，遠藤里美，佐藤光幸，田嶋尚也，西尾豊：
α-ET2I3のディラック電子とゼロモード電子.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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4.
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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効果III.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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5.
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小澤拓弥，山内貴弘，田嶋尚也，加藤礼三，西尾豊，梶田晃示：
α-(BEDT-TTF)2I3の中間圧力域と高圧力域におけるDirac電子状態.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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6.
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北村竜一，西尾豊，田嶋尚也，梶田晃示，加藤礼三，田村雅史，内藤俊雄：
ゼロギャップ伝導体α-(BEDT-TTF)2I3の熱起電力IV.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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7.
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奥澤唯，牟田翔馬，嶋田一雄，西尾豊，田嶋尚也，梶田晃示，赤星大介，齊藤敏明，小林昭子，小林速男：
κ-(BETS)2FeBr4の磁場下での電子状態II.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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8.
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山本友介，堤夏輝，嶋田一雄，秋葉宙，田嶋尚也，西尾豊，梶田晃示，小林昭子，小林速男：
λ-(BETS)2FexGa1-xCl4における常磁性金属-反強磁性絶縁体転移近傍における電子状態.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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9.
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菅原滋晴，田村雅史，田嶋尚也，西尾豊：
層間横磁気抵抗による有機超伝導体κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2の高圧下電子状態解析.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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10.
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嶋田一雄，秋葉宙，杉浦栞理，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電子系λ-(BETS)2FeCl4の常磁性金属-反強磁性絶縁体転移.
日本物理学会,
広島大学,
2013/03
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11.
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粟竹広大，爲木創太，田嶋尚也，西尾豊，梶田晃示，加藤礼三：
Pd(dmit)塩の相転移と熱電能.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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12.
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奥澤唯，牟田翔馬，嶋田一雄，西尾豊，田嶋尚也，梶田晃示，赤星大介，齊藤敏明，小林昭子，小林速男：
κ-(BETS)2FeBr4の磁場下での電子状態.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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13.
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開康一，北原昌嗣，高橋利宏，西尾豊，秋葉宙，周彪，小林昭子，小林速男：
λ-(BETS)2Fe1-xGaxCl4系のNMR研究IV.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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14.
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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効果II.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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15.
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山本友介，嶋田一雄，秋葉宙，田嶋尚也，西尾豊，梶田晃示，小林昭子，小林速男：
λ-(BETS)2FexGa1-xCl4の内部磁場と磁場中の異常比熱.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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16.
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田嶋尚也，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電子系における量子ホール効果I.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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17.
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北村竜一，加藤礼三，田村雅史，内藤俊雄，西尾豊，田嶋尚也，梶田晃示：
ゼロギャップ伝導体α-(BEDT-TTF)2I3の熱起電力3.
日本物理学会,
横浜国大,
2012/09
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国際学会
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1.
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Kazuo Shimada, Hiroshi Akiba, Naoya Tajima,Yutaka Nishio, Koji Kajita,
Reizo Kato , Akiko Kobayashi and Hayao Kobayashi：
Anomalous Specific Heat in lambda-BETS2FeCl4 under Magnetic Field.
International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals 2012,
Atlanta, USA,
2012/07
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その他
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1.
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西尾豊、嶋田一雄：
有機伝導体が示す磁性と伝導が絡み合った特異な相転移.
青山学院大学・理工学部・物理・数理学科 コロキウム,
青山学院大学理工学部相模原キャンパス,
2012/10
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