合成に成功しました！浙江大学の最新のケージ型格子材料に関する研究がネイチャー誌に掲載されました

約 40 年前、非従来型超伝導体が凝縮物質物理学の研究に新たな章を開きました。約10年前、カゴメ構造モデルは盛大な「カゴメ量子パーティー」を引き起こしました。今日、二人は浙江大学の研究室で素晴らしい「火花」を散らした。

浙江大学物理学院の曹光漢氏の研究グループは、中国科学院物理研究所の程金光氏、周睿氏らの研究グループと共同で、カゴメ格子材料の研究において重要な進歩を遂げた。彼らは、新しいクロムベースのカゴメ格子反強磁性体の合成に成功し、圧力制御を通じて磁気端での超伝導を実現しました。これは、非従来型超伝導体と非常によく似た挙動を示します。この研究は、ケージ型格子における新しい量子状態をさらに探究し、非従来型の超伝導メカニズムを理解するための新しい研究プラットフォームを提供します。関連する結果は、「クロムベースのカゴメ金属の圧力下での超伝導」というタイトルで、Nature* 誌に掲載されました。

かごめ格子

——魔法の「ゆりかご」

伝統的な竹編み製品には、共通の頂点を持つ正三角形が互いに接続されて「ケージのような」模様を形成するという共通のパターンがあります。この構造は近年、科学者に支持されてきました。理論によれば、原子が「ケージメッシュ」格子構造に配列された物質は、特殊な電子的挙動と磁気的特性を持つ可能性があると予測されています。そのため、この結晶構造を持つ物質をケージ物質と呼びました。

画像: 竹かごの籠模様

過去 10 年間、ケージ構造の材料は、多くの新しい量子状態と物理的効果を生み出してきた魔法の「ゆりかご」のような存在でした。特に、2019年にバナジウムベースのケージ型格子材料が発見されたことで、凝縮物質物理学の分野で新たな研究ブームが巻き起こりました。このタイプの材料は、超伝導、「非従来型」電荷密度波、「f 異常」ホール効果、対密度波、電子ネマチック秩序、時間反転対称性の破れなど、目を見張るような一連の新しい物理的状態と現象を示します。

「私たちは、この新しいシステムで従来とは異なる超伝導を実現したいと常に思ってきました。」曹光漢教授は、現在、従来の超伝導体の形成メカニズムに関する理論は成熟していると述べた。しかし、高温超伝導体のような非従来型超伝導体については、そのメカニズムについてはまだ合意が得られていません。既存の非従来型超伝導体の「多様性」は十分ではなく、非従来型超伝導体の発見は基礎科学と応用研究の両方にとって大きな価値があります。 「バナジウムベースの分岐材料における超伝導の起源は、従来の超伝導メカニズムによって説明することができます。」

曹光漢氏は、経験上、非従来型超伝導は磁性の境界で現れることが多いため、磁性の導入は非従来型超伝導の実現に積極的な役割を果たすと述べた。しかし、磁気が強すぎると超伝導が磁気によって完全に抑制されてしまいます。 「クロムは化合物中で磁性を示すことが多いことを考慮すると、クロムで完全に置き換えられた新しい化合物は局所的な磁気モーメントを持つ可能性があり、それがケージ格子の幾何学的にフラストレーションのある特性と組み合わさって磁性を抑制することで非従来型の超伝導を生み出す可能性があると考えています。」

図：クロム系ケージ材料の結晶写真と結晶構造

研究チームは長期にわたる実験的探究を経て、溶媒比を大幅に変化させることでクロムベースの単結晶を成長させることに成功しました。材料準備研究室では、劉毅博士がケージ構造を持つクロムベースの単結晶を見つけるのに苦労していました。 「通常、5グラムの原材料から5ミリグラム未満のサンプルしか得られません」と劉毅氏は語った。 「対象物は準安定相なので、実際に成長した生成物は熱力学的に安定な相がほとんどで、収率は1000分の1程度にしかなりません。単結晶の大きさは基本的に0.5mm以内、つまりペン先の太さ程度です。」

相関、磁性、量子臨界

超伝導

図: 2次元カゴメ格子における磁性、量子臨界性、超伝導の模式図 (a)。クロムベースとバナジウムベースの「135」材料の電子構造の比較（b）。

「千分の一」のクロムベースのケージメッシュ構造格子では、3 つのクロム原子が正三角形を形成し、「メッシュ」になります。実験者は、「1000分の1」の単結晶の抵抗、磁化率、比熱、核磁気共鳴を測定することで、この新しい材料がバナジウムベースのケージシステムとは異なることを発見した。劉毅氏は、単結晶は独特のスピン密度波を持つ、強く相関した「悪い金属」であると紹介しました。第一原理計算によれば、フェルミエネルギーは量子干渉の破壊性によって生じるフラットバンドに非常に近いことが示されており、これが強い相関効果の根本的な理由である可能性がある。

最もエキサイティングなのは超伝導のテストです。北京の懐柔科学城にある国家の主要な科学技術インフラである総合極限条件実験室では、研究者らが圧力を加え、磁気秩序や密度波秩序が抑制され、超伝導が出現した。ほとんどの非従来型超伝導システムは、磁性に関連する普遍的な電子相図を持っていると報告されています。制御パラメータ（化学ドーピング、圧力、電場など）を調整することで、磁気秩序を徐々に抑制し、非従来型超伝導を出現させることができます。 「我々の研究は、クロムベースのカゴメ格子系も、典型的な非従来型超伝導体のものと類似した電子相図を持っていることを明らかにした」と曹光漢氏は述べた。

システムの最高の超伝導転移温度 (6.4 K) は、磁気秩序が消える圧力点 (量子臨界点、QCP とも呼ばれる) の近くに現れ、このときの上部臨界磁場はパウリの常磁性限界を超えることは注目に値します。同時に、高温常伝導状態では非フェルミ液体（またはストレンジメタル）の挙動を示します。

写真：研究室で議論する曹光漢教授（右）と劉毅博士

曹光漢氏は、ケージ格子に関連する平坦バンドや幾何学的フラストレーションなどの特徴を備えた新しいタイプのケージ材料システムであると述べた。その圧力誘起超伝導は、非従来型超伝導体との多くの共通点を示しています。これについて深く研究することで、非従来型超伝導メカニズムの問題を解決するのに役立つでしょう。

米国ライス大学のQi Miao Si教授とその共同研究者は論文の中でこの研究についてコメントし、クロムベースの超伝導体の発見により超伝導体のファミリーに新たなメンバーが加わり、刺激的な研究の方向性が開かれたと述べた。この化合物は、そのユニークな現象と多軌道特性により、フラットバンド上の電子相関を研究するためのユニークな研究プラットフォームを提供します。

出版当日、ネイチャー誌はドイツのヴュルツブルク大学のジョルジョ・サンジョヴァンニ教授が執筆した研究の紹介を特別に配布した。 「超伝導体は強い相関関係で驚異的」と題されたこの記事は、電子相関関係の重要性を強調しています。同氏は量子の「るつぼ」の比喩を用いて、この新しい超伝導体は従来の磁性と強く相関した電子の挙動の間に位置し、電荷、スピン、軌道効果の競合の接点にあるため、並外れた新しい量子状態をもたらす可能性があると述べた。記事によると、劉毅氏とその同僚の研究は、ケージ型金属の多体物理学に対する人々の理解において転換点となる可能性があるという。

浙江大学/浙江理工大学の劉毅博士、中国科学院物理研究所の劉子怡准研究員、杭州師範大学/上海大学の鮑金科准教授が論文の共同筆頭著者であり、中国科学院物理研究所の周睿特別研究員、程金光研究員、浙江大学の曹光漢教授が共同責任著者である。この研究は、中国国家自然科学基金、国家重点研究開発計画、浙江省重点研究開発計画、中国科学院パイオニアBプロジェクト、青年革新促進協会プロジェクトによって支援されました。本論文で紹介した高磁場核磁気共鳴実験および高圧物性測定は、国家の主要な科学技術インフラである総合極限条件実験施設 (SECUF) で実施されました。