Transcript 物性－電子の集団が描く多彩な風景

物性 ～ 電子の集団が描く多彩な風景
平成２２年度
物理学専攻修士課程入試ガイダンス
物性研究所
瀧川 仁
 物性物理（Condensed Matter Physics)とは
 現代物性科学の潮流
 量子多体系としての固体～電子相関の物理
量子相転移：新奇な量子状態を求めて
風変わりな素励起：電子が描く点描画
 物性実験の手法：電子を「見る」道具
物性 ～ ミクロな物理とマクロな現象をつなぐもの
半導体
シリコン
バンド構造
磁性体
スピン・バルブ
巨大磁気抵抗効果
現代物性科学の潮流
X線回折
量子力学の完成
固体電子のバンド理論
１９５０
トランジスターの発明
NMR、ESR
１９６０
超伝導のBCS理論
中性子散乱
１９７０
レーザー
希薄磁性合金の近藤効果
液体ヘリウム３の超流動
軌道放射光・光電子分光
有機伝導錯体の合成
１９８０ 伝導性高分子の合成
重いｆ電子系化合物の超伝導
銅酸化物の高温超伝導
１９９０
２次元電子系の量子ホール効果
メソスコピック系の量子伝導
フラーレン 巨大磁気抵抗効果
マンガン酸化物の磁気抵抗
量子ドット
カーボンナノチューブ
２０００
マルチフェロイックス
鉄ヒ素系超伝導体
新物質の合成
グラフェン
スピントロニクス
ナノ構造・微細加工
STM、AFM
量子多体系としての固体 ～ 電子相関の物理
銅酸化物
モット絶縁体
クーロン反発力によって電子が局在する。
Cu2+: (3d)9
スピン 1/2
反強磁性状態
La
Cu
La2CuO4
O
クーロン反発＋パウリ原理
量子多体系としての固体 ～ 電子相関の物理
ホールをドープ
La3+
Sr2+
高温超伝導
La
Cu
La2CuO4
O
量子相転移：異なる秩序の競合・共存
金属反強磁性 （常圧）
鉄ヒ素系超伝導体
75As-NMR
スピン磁化率
Sr
As
圧力誘起超伝導 （6.1万気圧）
Fe
SrFe2As2
Sr2+
K+
電子ドープ
圧力下で超伝導相と反強磁性相が共存
マイスナー効果
スピン系の量子相転移

スピン２量体
JS1  S2 (J  0)
古典系


1
    s
2
量子系
スピン２量体の結合系
磁場誘起相転移
BaCuSi2O6
t  
s
トリプレットのボーズ凝縮
 u s v t
磁
化
磁場に垂直な面内の
反強磁性秩序
磁場
Sebastian et al., Nature 441 (2006) 617.
スピン系の量子相転移 (II)
SrCu2(BO3)2 Shastry-Sutherland モデル
磁化プラトー
超流動固体？
磁化プラトー状態のＮＭＲスペクトル
トリプレットの局在結晶化
K. Kodama et al., Science 298 (2002) 395.
新奇な量子状態を求めて：フラストレーション
スピン・ネマティック（液晶）秩序
３角格子
カイラリティ秩序
Miyashita Shiba 1984
？
＋
カゴメ格子
＋
－
＋
－
＋
Kagomé
＋
－
＋
スピン液体
絶対零度まで何の秩序
も示さない（対称性を破
らない）磁性体は存在す
るか？
Resonating Valence Bond
RVB
新奇な量子状態を求めて：スピン液体の候補
k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3
圧力下で超伝導
Herbertsnithite
ZnCu3(OH)6Cl2
５０ｍKまで相転移なし
固体における素励起
反強磁性体
スピン波
E
エネルギー
q
風変わりな素励起
1次元反強磁性体
ドメイン壁（ソリトン、スピノン）
波
数
E
q
p
2p
素励起＝2個のスピノン
0
1個のスピン反転が2個のスピノンに分離する。
中性子非弾性散乱
Tennant et al., Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 4003
風変わりな素励起
2次元系でスピノンが存在するか？
正方格子では不可。
フラストレートした格子では可能かも？
異方的
３角格子
異方的カゴメ格子
Cu3V2O7(OH)2・2H2O
Cs2CuCl4
R. Coldea (2003)
中性子非弾性散乱
風変わりな素励起：磁気単極子
パイロクロア格子
スピンアイス （残留エントロピー）
Dy2Ti2O7
強磁性相互作用
1軸性異方性
氷
2-in-2-out
3-in-1-out
2-in-2-out
S
N
Castelonovo, Moessner, Sondhi, Nature 451 (2008) 42
素励起（準粒子）＝磁気単極子？
物性実験の手法：電子を「見る」道具
基礎的物性：電気抵抗、磁化、比熱
中性子散乱用
原子炉（原子力
研究機構）
散乱実験：（共鳴）Ｘ線・中性子散乱、
光（ラマン）散乱
分光測定：NMR, ESR, mSR, STM,
光電子分光、光学伝導度
熱的特性、周期構造、局所構造、
エネルギースペクトル
物質合成：新物質探索、単結晶育成
極低温磁化測定装
置（物性研・榊原
研）
レーザー光電子分
光装置（物性研・辛
研）
新しい量子状態を引き出す環境
磁場、圧力、電場
NMR用１０万気圧級対向アンビル圧力
セルと2軸回転機構（物性研・瀧川研）
CsOs2O6パイロクロア
酸化物の単結晶（物性
研・廣井研）
NbSe2の電荷
密度波状態の
STM像（物性
研・長谷川研）
強相関電子系が描く点描画