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論文

Characterization of the shape-staggering effect in mercury nuclei

Marsh, B. A.*; Day Goodacre, T.*; 角田 佑介*; Andreyev, A.; 他41名*

Nature Physics, 14(12), p.1163 - 1167, 2018/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:14.47(Physics, Multidisciplinary)

In rare cases, the removal of a single proton (Z) or neutron (N) from an atomic nucleus leads to a dramatic shape change. These instances are crucial for understanding the components of the nuclear interactions that drive deformation. The mercuryisotopes (Z = 80) are a striking example: their close neighbours, the lead isotopes (Z = 82), are spherical and steadily shrink with decreasing N. The even-mass (A = N + Z) mercury isotopes follow this trend. The odd-mass mercury isotopes $$^{181,183,185}$$Hg, however, exhibit noticeably larger charge radii. Due to the experimental difficulties of probing extremely neutron-deficient systems, and the computational complexity of modelling such heavy nuclides, the microscopic origin of this unique shape staggering has remained unclear. Here, by applying resonance ionization spectroscopy, mass spectrometry and nuclear spectroscopy as far as $$^{177}$$Hg, we determine $$^{181}$$Hg as the shape-staggering endpoint. By combining our experimental measurements with Monte Carlo shell model calculations, we conclude that this phenomenon results from the interplay between monopole and quadrupole interactions driving a quantum phase transition, for which we identify the participating orbitals. Although shape staggering in the mercury isotopes is a unique and localized feature in the nuclear chart, it nicely illustrates the concurrence of single-particle and collective degrees of freedom at play in atomic nuclei.

論文

Thermodynamic evidence for nematic superconductivity in Cu$$_{x}$$Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$

米澤 慎吾*; 田尻 兼悟*; 中田 勝*; 永井 佑紀; Wang, Z.*; 瀬川 耕司*; 安藤 陽一*; 前野 悦輝*

Nature Physics, 13(2), p.123 - 126, 2017/02

 被引用回数:60 パーセンタイル:0.65(Physics, Multidisciplinary)

銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、従来とは異なった熱応答や電磁応答を示すトポロジカル超伝導体と呼ばれる物質群が注目を集めている。そこで、本論文では、トポロジカル絶縁体Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$に銅をインターカレートすることで作成される超伝導体Cu$$_{x}$$Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$の新奇物性を調べるために、磁場を面内に回転させて比熱を高精度に測定し、理論結果と比較した。なお、上記課題の解決にあたり、トポロジカル超伝導体の有効理論を構築することで本質を落とさずに系の自由度を大幅に縮小させることで幅広い温度磁場領域での実験結果との比較を可能にした。その結果、この物質では二回対称性のみを持つネマティック超伝導状態が生じていることを実験によって明らかにすることができた。これらの結果は、超伝導体の基礎物性を明らかにするのみならず、良い物性を持つデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。

論文

One-dimensional spinon spin currents

廣部 大地*; 佐藤 正寛*; 川股 隆行*; 塩見 雄毅*; 内田 健一*; 井口 亮*; 小池 洋二*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Physics, 13(1), p.30 - 34, 2017/01

 被引用回数:26 パーセンタイル:3.27(Physics, Multidisciplinary)

Quantum spin fluctuation in a low-dimensional or frustrated magnet breaks magnetic ordering while keeping spin correlation. Such fluctuation has been a central topic in magnetism because of its relevance to high-Tc superconductivity and topological states. However, utilizing such spin states has been quite difficult. In a one-dimensional spin-1/2 chain, a particle-like excitation called a spinon is known to be responsible for spin fluctuation in a paramagnetic state. Spinons behave as a Tomonaga-Luttinger liquid at low energy, and the spin system is often called a quantum spin chain. Here we show that a quantum spin chain generates and carries spin current, which is attributed to spinon spin current. This is demonstrated by observing an anisotropic negative spin Seebeck effect along the spin chains in Sr$$_{2}$$CuO$$_{3}$$. The results show that spin current can flow even in an atomic channel owing to long-range spin fluctuation.

論文

Spin hydrodynamic generation

高橋 遼*; 松尾 衛; 小野 正雄; 針井 一哉; 中堂 博之; 岡安 悟; 家田 淳一; 高橋 三郎*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Physics, 12, p.52 - 56, 2016/01

 被引用回数:24 パーセンタイル:7.93(Physics, Multidisciplinary)

Magnetohydrodynamic generation is the conversion of fluid kinetic energy into electricity. Such conversion, which has been applied to various types of electric power generation, is driven by the Lorentz force acting on charged particles and thus a magnetic field is necessary. On the other hand, recent studies of spintronics have revealed the similarity between the function of a magnetic field and that of spin-orbit interactions in condensed matter. This suggests the existence of an undiscovered route to realize the conversion of fluid dynamics into electricity without using magnetic fields. Here we show electric voltage generation from fluid dynamics free from magnetic fields; we excited liquid-metal flows in a narrow channel and observed longitudinal voltage generation in the liquid. This voltage has nothing to do with electrification or thermoelectric effects, but turned out to follow a universal scaling rule based on a spin-mediated scenario. The result shows that the observed voltage is caused by spin-current generation from a fluid motion: spin hydrodynamic generation. The observed phenomenon allows us to make mechanical spin-current and electric generators, opening a door to fluid spintronics.

論文

Colossal thermomagnetic response in the exotic superconductor URu$$_2$$Si$$_2$$

山下 卓也*; 下山 祐介*; 芳賀 芳範; 松田 達磨*; 山本 悦嗣; 大貫 惇睦; 住吉 浩明*; 藤本 聡*; Levchenko, A.*; 芝内 孝禎*; et al.

Nature Physics, 11(1), p.17 - 20, 2015/01

 被引用回数:28 パーセンタイル:8.97(Physics, Multidisciplinary)

Observation of a colossal Nernst signal is reported. URu$$_2$$Si$$_2$$ is known as a heavy fermion superconductor. The superconductivity coexists with the so-called hidden-order phase. The Nernst coefficient is enhanced by as large as million times over the theoretically expected value within the standard framework of superconducting fluctuations. Moreover, contrary to the conventional wisdom, the enhancement is more significant with the reduction of the impurity scattering rate. This anomalous Nernst effect intimately reflects the highly unusual superconducting state in URu$$_2$$Si$$_2$$.

論文

Degenerate Fermi and non-Fermi liquids near a quantum critical phase transition

神戸 振作; 酒井 宏典; 徳永 陽; Lapertot, G.*; 松田 達磨*; Knebel, G.*; Flouquet, J.*; Walstedt, R. E.*

Nature Physics, 10(11), p.840 - 844, 2014/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:23(Physics, Multidisciplinary)

共存した静的なフェルミ液体および非フェルミ液体状態がYbRh$$_{2}$$Si$$_{2}$$の中の量子相転移の重要な特徴であることを解明した。単結晶サンプルの核磁気共鳴(NMR)スピン格子緩和時間測定し、フェルミの液体および非フェルミ液体状態の共存比が磁場により変化することを突き止めた。またこの比がもつスケール則も見いだした。

論文

Bipartite magnetic parent phases in the iron oxypnictide superconductor

平石 雅俊*; 飯村 壮史*; 小嶋 健児*; 山浦 淳一*; 平賀 晴弘*; 池田 一貴*; Miao, P.*; 石川 喜久*; 鳥居 周輝*; 宮崎 正範*; et al.

Nature Physics, 10(4), p.300 - 303, 2014/04

 被引用回数:62 パーセンタイル:3.79(Physics, Multidisciplinary)

High-temperature (high-$$T_{rm c}$$) superconductivity appears as a consequence of the carrier-doping of an undoped parent compound exhibiting antiferromagnetic order; thereby, ground-state properties of the parent compound are closely relevant to the superconducting state. On the basis of the concept, a spin-fluctuation has been addressed as an origin of pairing of the superconducting electrons in cuprates. Whereas, there is growing interest in the pairing mechanism such as an unconventional spin-fluctuation or an advanced orbital-fluctuation due to the characteristic multi-orbital system in iron-pnictides. Here, we report the discovery of an antiferromagnetic order as well as a unique structural transition in electron-overdoped LaFeAsO$$_{1-x}$$H$$_x$$ ($$x sim 0.5$$), whereby another parent phase was uncovered, albeit heavily doped. The unprecedented two-dome superconducting phases observed in this material can be interpreted as a consequence of the carrier-doping starting from the original at $$x sim 0$$ and advanced at $$x sim 0.5$$ parent phases toward the intermediate region. The bipartite parent phases with distinct physical properties in the second magnetic phase provide us with an interesting example to illustrate the intimate interplay among the magnetic interaction, structural change and orbital degree of freedom in iron-pnictides.

論文

Polaron spin current transport in organic semiconductors

渡邉 峻一郎*; 安藤 和也*; Kang, K.*; Mooser, S.*; Vaynzof, Y.*; 紅林 秀和*; 齊藤 英治; Sirringhaus, H.*

Nature Physics, 10(4), p.308 - 313, 2014/04

 被引用回数:95 パーセンタイル:1.86(Physics, Multidisciplinary)

In spintronics, pure spin currents play a key role in transmitting, processing and storing information. A pure spin current is a flow of electron spin angular momentum without a simultaneous flow of charge current. It can be carried by conduction electrons or magnons and has been studied in many inorganic metals, semiconductors and insulators, but not yet in organic semiconductors. Charge carriers in $$pi$$-conjugated organic materials are localized spin-1/2 polarons which move by hopping, but the mechanisms of their spin transport and relaxation are not well understood. Here we use ferromagnetic resonance spin pumping in a ferromagnet/conjugated polymer/nonmagnetic spin-sink trilayer to demonstrate the ability of polarons to carry pure spin currents over hundreds of nanometres with long spin relaxation times of up to a millisecond and to exhibit Hanle precession. By systematically comparing charge and spin transport on the same trilayer we show that spin-orbit coupling mediates spin relaxation at room temperature.

論文

Emergent rank-5 nematic order in URu$$_2$$Si$$_2$$

池田 浩章*; 鈴木 通人; 有田 亮太郎*; 瀧本 哲也*; 芝内 孝禎*; 松田 祐司*

Nature Physics, 8(7), p.528 - 533, 2012/07

 被引用回数:99 パーセンタイル:2.96(Physics, Multidisciplinary)

ウラン化合物URu$$_2$$Si$$_2$$が低温において示す隠れた量子秩序相は、長年、多岐に渡る研究がなされてきたが、その秩序構造は未だ明らかにされておらず、固体物理学の一つのミステリーと目されてきた(それゆえ、隠れた秩序相を呼ばれている)。本論文の目的は、第一原理計算手法に基づいて、その隠れた秩序相における秩序構造を同定することにある。本論文では電子状態の詳細な解析結果の報告とともに、URu$$_2$$Si$$_2$$の多極子相関の計算結果から、$$E$$$$^{-}$$対称性を持つ多極子のネマティック秩序が有力な秩序状態であることを示した。この結果は、実際に、実験的に観測される異方的な磁気励起、反強磁性秩序状態との競合、4回対称性の破れなどを含む実験結果を包括的に説明することに成功しており、長年の謎を解明する有力な秩序候補と言える。

論文

Charge-induced vortex lattice instability

Mounce, A. M.*; Oh, S.*; Mukhopadhyay, S.*; Halperin, W. P.*; Reyes, A. P.*; Kuhns, P. L.*; 藤田 和博*; 石角 元志; 内田 慎一*

Nature Physics, 7(2), p.125 - 128, 2011/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:49.43(Physics, Multidisciplinary)

超伝導磁束が電気的に帯電され特に高温超伝導体で増大されることが予言されている。ホール効果と核磁気共鳴(NMR)の実験は渦核での電荷の蓄積の存在を示唆するがその効果は小さくて解釈は論争の的となっている。ここでわれわれは、もしボルテックスコアに電荷が補足されるならアブリコソフ磁束格子(超伝導体の混合状態の特徴である)は十分に高い磁場で不安定になることを示す。Bi2212単結晶のボルテックスによって生成された磁場のNMR測定はそれぞれ2$$times$$10$$^{-3}$$$$e$$程度のパンケーキ磁束を伴う、静電的に駆動された磁束格子の再構成の証拠を提供する。また、それはドーピングにより理論的な見積もりと一致する。

論文

Quasiparticle interference and superconducting gap in Ca$$_{2-x}$$Na$$_x$$CuO$$_2$$Cl$$_2$$

花栗 哲郎*; 幸坂 祐生*; Davis, J. C.*; Lupien, C.*; 山田 幾也*; 東 正樹*; 高野 幹夫*; 大石 一城; 小野 雅紀*; 高木 英典*

Nature Physics, 3(12), p.865 - 871, 2007/12

 被引用回数:121 パーセンタイル:3.69(Physics, Multidisciplinary)

High-transition-temperature (high-$$T_c$$) superconductivity is ubiquitous in the cuprates containing CuO$$_2$$ planes, but each cuprate has its own character. The study of the material dependence of the $$d$$-wave superconducting gap (SG) should provide important insights into the mechanism of high-$$T_c$$ superconductivity. However, because of the "pseudogap" phenomenon, it is often unclear whether the energy gaps observed by spectroscopic techniques really represent the SG. Here, we use scanning tunnelling spectroscopy to image nearly optimally doped Ca$$_{2-x}$$Na$$_x$$CuO$$_2$$Cl$$_2$$ (Na-CCOC) with $$T_c=25 sim 28$$ K. It enables us to observe the quasiparticle interference effect in this material, through which we obtain unambiguous information on the SG. Our analysis of quasiparticle interference in Na-CCOC reveals that the SG dispersion near the gap node is almost identical to that of Bi$$_2$$Sr$$_2$$CaCu$$_2$$O$$_y$$ (Bi2212) at the same doping level, despite the $$T_c$$ of Bi2212 being three times higher than that of Na-CCOC. We also find that the SG in Na-CCOC is confined in narrower energy and momentum ranges than Bi2212, which explains $$-$$ at least in part $$-$$ the remarkable material dependence of $$T_c$$.

論文

Itinerant to localized transition of $$f$$ electrons in the antiferromagnetic superconductor UPd$$_2$$Al$$_3$$

藤森 伸一; 斎藤 祐児; 岡根 哲夫; 藤森 淳*; 山上 浩志*; 芳賀 芳範; 山本 悦嗣; 大貫 惇睦*

Nature Physics, 3(9), p.618 - 622, 2007/09

 被引用回数:37 パーセンタイル:16.46(Physics, Multidisciplinary)

重い電子系において、f電子は温度によって遍歴・局在の両者の性質を示す。特性温度$$T^*$$以上では、磁性は完全に局在したf電子モデルによって記述される。一方、$$T^*$$以下の温度では、フェルミ面が遍歴したf電子モデルによって説明される。この二つのモデルは完全に異なるf電子を仮定しており、f電子がどのようにしてその二重性を示すのかは理解されてこなかった。この研究では、重い電子系超伝導化合物UPd$$_2$$Al$$_3$$のバンド構造を角度分解光電子分光によって$$T^*$$の上下で測定し、低温でフェルミ面を形成していたf電子が高温でフェルミ準位から排除されることを見いだした。この結果は、f電子がどのようにして遍歴から局在へと変化するかを電子状態の立場から示すものである。

論文

Spin-lattice instability to a fractional magnetization state in the spinel HgCr$$_{2}$$O$$_{4}$$

松田 雅昌; 植田 浩明*; 吉川 明子*; 田中 良和*; 勝又 紘一*; 鳴海 康雄*; 稲見 俊哉; 上田 寛*; Lee, S.-H.*

Nature Physics, 3(6), p.397 - 400, 2007/06

 被引用回数:79 パーセンタイル:6.93(Physics, Multidisciplinary)

フラストレート反強磁性体は、磁性と構造の自由度が相互に深くかかわり合い、興味ある現象を示すことが大きな特徴である。特にACr$$_{2}$$O$$_{4}$$(A=Hg, Cd)は磁場中の広い領域で磁化1/2のプラトー状態を示すことが磁化の研究から明らかになっている。この現象はスピン格子相互作用に起因していることが理論的研究から示唆されていたが、実験はまだ行われていなかった。われわれは、HgCr$$_{2}$$O$$_{4}$$粉末を用いて磁場中での中性子回折実験とX線回折実験を行った。その結果、プラトー状態ではP4$$_{3}$$32の対称性を持つ磁気構造が安定になるように結晶構造もP4$$_{3}$$32の対称性を持つ構造に転移することを明らかにした。これは、フラストレート反強磁性体における強いスピン-格子相互作用をあらわす重要な結果である。

論文

Achievement of robust high-efficiency 1 MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170 GHz continuous-wave gyrotron

坂本 慶司; 春日井 敦; 高橋 幸司; 南 龍太郎*; 小林 則幸; 梶原 健

Nature Physics, 3(6), p.411 - 414, 2007/06

 被引用回数:176 パーセンタイル:2.05(Physics, Multidisciplinary)

発振モードTE31,8の170GHzジャイロトロンにおいて、効率が55%以上の安定1MW発振を世界で初めて達成した。複数のジャイロトロンパラメータを発振中能動的に制御する手法を世界で初めて開発し、その結果、発振条件をいわゆる高効率発振が得られる難自己発振領域に容易に確立できることを実証した。さらに、目的のTE31,8モードが、近傍のTE30,8モードの寄生モードとして成長し、最終的に系を支配してしまうという新たな非線形過程を発見した。この効果により、TE31,8モードの安定自己発振領域が大きく広がることを見いだした。

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