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１９９０２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