量子もつれを有する新相関電子系における量子機能の探索的物性研究を行なった。得られた理学的研究成果(1)および工学的研究成果(2)を下記に抜粋する。
(1) Fe系超伝導体や異常金属など量子臨界点(QCP)物質の非従来的な物理的性質を計算物理および実験物理のハイブリッド的手法を用いて探求した。Feイオンのスピン分極の消滅とともに超伝導相の出現が同時に起こるLaFeAs(O,F)の密度汎関数理論に基づく計算はVASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)コードを用いて行った。我々の理論計算は, 斜方晶LaFeAsOにおけるストライプ型反強磁性秩序とLaFeAs(O,F)における反強磁性が抑制された非磁性相の安定性を示している。実に, LaFeAs(O,F)のFドーピング濃度が4%を超えると, 理論的なFeスピン偏極は消失し, 実験的に得られた電子磁気相図との整合性が示された。したがって, 本方法により, QCP近傍の量子もつれ状態発現の予測が行える可能性があることを示唆している。
(2) Ca＆F同時ドーピング(電子およびホールの同時ドーピング)を施した鉄系超伝導物質(La,Ca)FeAs(O,F)を注意深く合成し, 粉末X線回折により結晶の同定を行った後, 電気抵抗率および磁気測定を行った。超伝導は, Fドーピング濃度(y)とCaドーピング濃度(x)の差(y-x)が0.15以上で発現し, 試料(x,y)=(0.25,0.50)は(La,Ca)FeAs(O,F)系で最高の超伝導温度を示した。また, バルク超伝導は, 試料(x,y)=(0.25,0.40)および(0.25,0.50)で確認された。そして, 最大磁気臨界電流密度(Jc)は, (x,y)=(0.25,0.50)の試料で1400(A/cm2)に達した。なお, As-Fe-As角度の依存性はLeeのプロット(2008年 ; LaFeAsO系のTcはAs-Fe-As角度に依存し, 最も高いTcは正四面体の値の近くに現れる)の傾向に一致した。本結果は, 超伝導母物質LaFeAsOへのCa＆F同時ドーピング(電子およびホールの同時ドーピング)により, 母物質の電子状態がチューニングできることを示唆している。
We have explored quantum functions in new strongly correlated electronic systems with quantum entanglement or the quantum critical point (QCP) materials (such as Fe-based superconductors and strange metals). Our overall findings are as follows.
(1) The unconventional physical nature of quantum criticality in the QCP materials have been studied by means of hybrid computational and experimental approach. Density functional theory calculation of LaFeAs(O,F), in which the appearance of superconducting phases is simultaneously occurred with quenching of spin polarization in Fe ions, was performed by using Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) code. Our theoretical calculation demonstrates the most stable antiferromagnetic phase with stripe magnetic ordering in orthorhombic LaFeAsO, and experimental magnetic phase in LaFeAs(O,F). Indeed, theoretical Fe spin polarization disappears at F-doping concentration (x) > 0.04 in LaFeAs(O,F), indicating the consistency with electronic magnetic phase diagrams obtained experimentally for LaFeAs(O,F) that could be tuned to the QCP enters a weird state of quantum criticality which develops a quantum entanglement.
(2) Magnetic and structural properties of superconducting compound (La,Ca)FeAs(O,F) tuned by Ca & F-doping (electron & hole co-doping) have been also studied by materials synthesis, powder x-ray diffraction, electrical resistivity & magnetic moment measurements. The superconducting phase appears at the difference doping concentration between F and Ca (y- x) > 0.15, and the sample (x, y)=(0.25, 0.50) exceeds the maximum superconducting temperature (Tc) of (La,Ca)FeAs(O,F). Bulk superconductivity was confirmed at the samples (x, y)=(0.25, 0.40) and (0.25, 0.50). The maximum magnetic critical current density (Jc) attains 1.4 kA/cm2 at the sample (x, y)=(0.25, 0.50). The dependence of As-Fe-As angles is correspond to the trend of so-called Lee's plot (reported in 2008) ; the Tc of LaFeAsO system depended on the angle and the highest Tc appeared near the value of the regular tetrahedron.