2003年度年次報告

１．メンバー

　　　教　授：　野村　一成　011-706-4430, 　knmr@phys.sci.hokudai.ac.jp
　　　講　師：　松永　悟明　011-706-4427, 　mat@phys.sci.hokudai.ac.jp
　　　助　手：　市村　晃一　011-706-4431, 　ichimura@sci.hokudai.ac.jp

           ＭＣ２：　石村　和規、　東　真也

           ＭＣ１：　赤堀　純也、　阿部　彰、　鍵和田　淳、　田村　啓

２．研究成果

（１）スピン密度波の電子状態

　擬一次元有機導体(TMTSF)₂X（X= PF₆, ClO₄, etc.）の基底状態である不整合スピン密度波（SDW）相の電子状態を^１HのNMRにより調べた。SDW転移温度T_SDWに対して、T*/ T_SDW @0.3の関係を満たす温度T*におけるサブフェーズ相転移の磁場依存の振る舞いを、T₁^-1の温度変化より詳細に調べた。転移温度T*ではT₁^-1の発散的増大が観測されるが、T*は磁場の増大とともに緩やかに増加し、数Tの磁場で飽和する傾向を示す。一方、この転移は低磁場では極めて鋭いが1.3T近傍の磁場領域では比較的広い温度幅を持って起きることが明らかになった。さらに高磁場では転移の温度幅は再び狭くなる傾向を示した。この広い転移幅が観測される磁場に相当するエネルギーは、フェルミ面のネスティングに寄与する磁場に比べて小さく、スピンフロップ磁場（〜0.5 T）に比較的近いことから、反強磁性的に秩序化したスピンの磁場によるキャンティングの効果が期待される。すなわち、T*における転移はSDW状態におけるスピンの空間秩序構造に極めて敏感であることが示唆される。今後、試料依存を含めてさらに詳細な磁場依存の測定を行なう予定である。

（２）スピン密度波のダイナミクス

(TMTTF)₂Xは(TMTSF)₂Xに較べて一次元性の強い電子バンドを持つが、(TMTTF)₂Brの圧力下で誘起される不整合SDW相において、SDWのスライディングのダイナミクスを、非線形電気伝導度の測定により調べた。(TMTTF)₂Brの不整合SDW相でも明確なしきい電場を伴った非線形電気伝導が観測され、このSDWも(TMTSF)₂X塩と同様に集団励起であるスライディングを行なうことが明らかになっている。このスライディングを開始するしきい電場E_Tは(TMTSF)₂Xに較べてやや大きく、その温度変化も(TMTSF)₂Xのそれと異なり、T*転移の温度付近で比較的鋭いピーク構造を示した後、低温に向けて急激に減少する。この温度変化は、磁気揺らぎを反映するT₁^-1の温度変化と極めて似ており、電気的応答が磁気揺らぎと密接に関係している可能性が考えられる。E_Tの温度変化は、単純なSDWの不純物ピン止め機構では説明されずT*転移との関連を強く示唆するものになっている。これらの振る舞いの原因については、SDW波数における整合性の効果及びSDWと電荷密度波（CDW）の共存の可能性が考えられ、T*転移を境にこのようなSDWの微細構造に変化が起きていることが理解される。今後、さらに低温域あるいは高電場での測定を行ない、この振る舞いを明らかにする予定である。

（３）磁場誘起スピン密度波相におけるアニオン秩序化による超格子構造の役割

擬一次元有機導体(TMTSF)₂ClO₄はClO₄^-アニオンの配向秩序転移温度付近を急冷すると約6Kで金属相からスピン密度波(SDW)相へ転移するが、徐冷すると超伝導相が基底状態となる。この超伝導相にc*-軸方向に磁場を加えるとホール抵抗が量子化（N=…,5,3,1,0）された磁場誘起SDW(FISDW)相が現れることが知られている。アニオン配向秩序転移温度付近の冷却速度を制御した試料に対してホール抵抗および磁気トルクを測定することにより、FISDW相の基底状態におけるアニオン秩序化による超格子構造の役割を調べた。その結果、これまでの徐冷状態の実験から量子数がN=1の単一相であると考えられてきた9-27Tの相が、17Tより高磁場側のホール抵抗が冷却速度によらずほぼ一定である相と冷却速度の増大にともなってホール抵抗が大きく減少し量子化されない低磁場側の相に分かれていることを明らかにした。また、FISDW相のホール抵抗及び磁気トルクの測定より、N=3,5及び負のホール係数を示すFISDW相間の逐次相転移が冷却速度により大きく変化することを明らかにした。これらのFISDW相の冷却速度依存性は、アニオンの秩序化により形成された二対の擬一次元的フェルミ面における異なるネスティングベクトルの競合により説明できるのではないかと考えている。本研究における高磁場でのホール抵抗の測定はCRTBT-CNRSのP. Monceau氏と、磁気トルクの測定は東北大金研の金研の佐々木孝彦氏との共同利用により進めている。

（４）不整合スピン密度波転移における系の二次元性と電子相関

　低次元有機導体(TMTTF)₂X の不整合SDW相における系の二次元性と電子相関を明らかにするため、高圧下の(TMTTF)₂BrにおけるSDW転移温度T_SDWのc*-軸方向に対する磁場依存性を電気伝導度測定より調べた。その結果、T_SDWはほぼ磁場の二乗に比例して増大し、2.1GPaにおける(TMTTF)₂BrのT_SDWの磁場依存性は常圧での(TMTSF)₂PF₆の結果とほぼ一致していることがわかった。実験結果より、圧力を加えると系の二次元性が増大するだけではなく電子相関の強さの減少によりT_SDWが大きく減少していることが明らかとなり、TMTSF-TMTTF統一相図は電子相関の圧力変化を取り入れた平均場理論によりはじめて定量的に理解できることがわかった。現在、二層式ピストンシリンダー型クランプセルを用いて3GPaまで圧力領域を拡張し、(TMTTF)₂BrのSDW相が大きく抑制された領域における電気伝導度の磁場依存性の測定を進めている。本研究における高磁場での測定は東北大金研の佐々木孝彦氏と共同研究により進めている。

（５）擬二次元有機導体k-(BEDT-TTF)₂Xの低温相図

　擬二次元有機導体k-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Brは反強磁性絶縁相との境界に近い超伝導相に位置し、部分重水素置換や80K付近の冷却速度を制御することにより超伝導相と反強磁性絶縁相との相境界付近を細かく制御できる強相関電子系であることが知られている。相境界付近の低温相図を明らかにするために、電気抵抗およびホール係数の測定を磁場下で行った。その結果、部分重水素置換された試料においてNMRや熱膨張率の異常が報告されている温度における電気抵抗のとび、金属相と反強磁性絶縁相との相分離が予想されている温度以下における電気抵抗のヒステリシス、冷却速度の増大にともなう金属相の電子濃度の減少等が観測され、超伝導相と反強磁性絶縁相との相境界付近の低温相図を明らかにすることができた。今後、擬二次元強相関電子系における超伝導相と反強磁性絶縁相との競合を議論していく予定である。

（６）有機超伝導体k-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]BrのSTM分光

電子相関の強さをパラメターに取り有機超伝導体の電子状態に関する知見を得ることを目的に、反強磁性絶縁相との境界に近い超伝導相に位置するk-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]BrにおいてSTM分光測定を行った。この物質においては、部分重水素置換により超伝導相と反強磁性絶縁相との相境界付近での電子相関の強さを細かく制御できることが知られている。これまでに水素体k-(BEDT-TTF-d[0,0])₂Cu[N(CN)₂]Brと部分重水素化したk-(BEDT-TTF-d[2,2])₂Cu[N(CN)₂]Brに対して結果を得ていたが、今年度はこれらの塩よりもさらに電子相関が強く反強磁性絶縁層との境界に近いk-(BEDT-TTF-d[3,3])₂Cu[N(CN)₂]Brについて調べた。超伝導転移温度以下では明確な超伝導ギャップが観測された。トンネルスペクトルの形はゼロバイアス付近でエネルギーに対し線形な振る舞いを示し、d[0,0]塩やd[2,2]塩と同様に超伝導ペアの対称性はd-波であることが示された。得られたギャップパラメターの値はD =1.4-3.3 meVであり、これに対応して 2D/kT_c=2.7-6.4と求まった。この値はd[0,0]塩、d[2,2]塩において得られたものよりも小さい。これまでの結果を総合すると、d[0,0]塩とd[2,2]塩との比較においては電子相関の強さとともに2D/kT_cは増加する傾向が見られたが、Mott境界近傍では電子相関に対して必ずしも単調に増加するものではないことが示唆された。

また、ゼロバイアスにおいてトンネルコンダクタンスが発散的に増加するゼロバイアス異常がk-(BEDT-TTF)₂Xにおいて初めて観測された。これはd-波超伝導体に特有のzero bias conductance peak (ZBCP)であると考えられる。この現象は銅酸化物系超伝導体では報告されているが、2次元有機超伝導体において見出されたのは今回が初めてである。ZBCPが観測されたことは、様々な実験からd-波ペアが示されてきたk-(BEDT-TTF)₂Xにおいて超伝導ギャップにノードがあることのより直接的な証拠である。電子相関あるいは2量体化の強さとギャップのノード方向との関係を明らかにすることが今後の課題である。

（７）多層カーボンナノチューブの低温STM/STS

　これまでの単層カーボンナノチューブに加えて、多層カーボンナノチューブ(MWNT)においてSTM/STS測定を行った。劈開したグラファイト上に、ジクロロエタン溶媒中で超音波分散させたMWNTをスピンコーティングすることにより試料を準備した。この方法により、STM/STS測定に適した孤立したナノチューブを準備できることがわかった。4.2 KにおいてSTM/STS測定を行った。STM像において原子分解能は得られなかったものの、場所を変化させながらの系統的なSTSに成功した。トンネルスペクトルはギャップ構造が見出され、測定されたMWNTに関しては最外層が半導体ナノチューブであることが示唆された。また、この半導体ギャップはMWNTの端に近づくにしたがい大きくなる傾向が見出された。さらに、高バイアス側では多くの微細構造が見られている。これらにはvan Hove特異点とは区別すべきものも含まれていると思われ、更なる測定および解析が今後の課題である。本研究における試料の準備およびSTM/STS測定の一部はヘルシンキ工科大(フィンランド)の低温研究所において行われ、M. Ahlskog氏、P. Hakonen氏、M. Paalanen氏との共同研究により進められている。

３．成果発表

＜原著論文＞

1.       Electron Correlation and Two-Dimensionality in the Spin-Density-Wave Phase of (TMTTF)₂Br under Pressure

A. Ishikawa, N. Matsunaga, K. Nomura, T. Sasaki, T. Nakamura, T. Takahashi, G. Saito
Physical Review B, 67, 212404-1-4 (2003).*

2.       ¹H NMR in Spin Density Wave Phase of (TMTSF)₂PF₆

K. Nomura, H. Kubota, M. Kotomizu, T. Hanajiri, S. Nakatsuji, J. Yamada
Synthetic Metals, 133-134, 19-21 (2003).*

3.       Electrical Transport in the Spin-Density-Wave Phase of (TMTSF-d₁₂)₂ClO₄

A. Hoshikawa, T. Terazaki, N. Matsunaga, K. Nomura, M. Watanabe, S. Nakatsuji, J. Yamada
Synthetic Metals, 133-134, 57-59 (2003).*

4.       Effect of the Gap due to Anion Ordering in Deuterated (TMTSF)₂ClO₄ at High Magnetic Fields

N. Matsunaga, A. Ayari, P. Monceau, A. Ishikawa, K. Nomura, M. Watanabe, J. Yamada, S. Nakatsuji
Synthetic Metals, 133-134, 61-62 (2003).*

5.       Magnetic Field Dependence of the SDW Phase in (TMTSF)₂PF₆ under Pressure

K. Yamashita, N. Matsunaga, K. Nomura, T. Sasaki, T. Hanajiri, J. Yamada, S. Nakatsuji, H. Anzai
Synthetic Metals, 133-134, 63-64 (2003).*

6.       Magnetic Field Dependence of Incommensurate SDW Transition in (TMTTF)₂Br

A. Ishikawa, N. Matsunaga, K. Nomura, T. Nakamura, T. Takahashi, G. Saito
Synthetic Metals, 133-134, 65-66 (2003).*

7.       Tunneling Spectroscopy on k-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br Using STM

K. Ichimura, K. Suzuki, K. Nomura, A. Kawamoto
Synthetic Metals, 133-134, 213-214 (2003).*

8.       Cooling Rate Dependence of Rapid Oscillations in Deuterated (TMTSF)₂ClO₄ at High Magnetic Fields

N. Matsunaga, K. Yamashita, A. Ayari, P. Monceau, A. Ishikawa, K. Nomura, M. Watanabe, J. Yamada, S. Nakatsuji
Synthetic Metals, 135-136, 605-606 (2003).*

9.       STM Spectroscopy on Partially Deuterated k-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br

K. Ichimura, K. Suzuki, K. Nomura, A. Kawamoto
Synthetic Metals, 137, 1229-1230 (2003).*

10.   Field-Induced SDW Phase Diagram of (TMTSF)₂PF₆ at High Magnetic Fields

N. Matsunaga, K. Yamashita, T. Oota, K. Nomura, T. Sasaki, T. Hanajiri, J. Yamada, S. Nakatsuji
Physica B, 329-333, 1154-1155 (2003).*

11.   Non-Linear Conductivity in the Spin-Density Wave Phase of (TMTSF-d₁₂)₂ClO₄

K. Nomura, T. Terazaki, A. Hoshikawa, N. Matsunaga, M. Watanabe, S. Nakatsuji, J. Yamada
Physica B, 329-333, 1193-1194 (2003).*

12.   STM Spectroscopy on Ba₈Si₄₆

K. Ichimura, K. Nomura, H. Fukuoka, S. Yamanaka
Physica C, 388-389, 577-578 (2003).*

13.   Phase Diagram of Partially Deuterated k-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br

N. Matsunaga, K. Yamashita, M. Yamashita, A. Kawamoto, K. Nomura
Physica C, 388-389, 591-592 (2003).*

４．１．学術講演（国際学会・国際シンポジウム）

＜招待講演＞

*N. Matsunaga

Field-induced spin-density wave transition of the quasi-one-dimensional organic conductors

The International Symposium on New Trends of Physics Part I:

January 20-24, 2003, Sapporo, Japan

４．２．学術講演（国内学会・国内その他）

＜一般講演＞＜＜口頭発表＞＞

1.         *松永悟明、太田敬道、山下勝美、野村一成、A. Ayari、P. Monceau、渡部真紀、山田順一、中辻慎一

「(TMTSF)₂ClO₄における磁場誘起スピン密度波相の冷却速度依存性�W」

日本物理学会第58回年次大会（東北大）2003年3月28-31日

講演番号 28pZA-1 （講演概要集58巻第1号第4分冊789ページ）

2.         *松永悟明、山下勝美、山下真人、河本充司、野村一成

「k-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Brの低温相の冷却速度依存性」

日本物理学会2003年秋季大会（岡山大学）2003年9月20-23日

講演番号 21aXE-6 （講演概要集58巻第2号第4分冊730ページ）

3.         *市村晃一、野村一成、M. Ahlskog、P. Hakonen、M. Paalanen

「多層カーボンナノチューブの低温STM/STS」

日本物理学会2003年秋季大会（岡山大学）2003年9月20-23日

講演番号 21aXF-5 （講演概要集58巻第2号第4分冊733ページ）

4.         *戸田泰則、立石幸一、稲垣克彦、市村晃一、丹田聡

「1T-TaS₂における電荷密度波の集団励起ダイナミクスと温度特性」

日本物理学会2003年秋季大会（岡山大学）2003年9月20-23日

講演番号 22aTa-3 （講演概要集58巻第2号第4分冊646ページ）

5.         *上原康孝、市村晃一、野村一成、神田晶申、大塚洋一

「(TMTSF)₂ClO₄微結晶の電気伝導測定」

日本物理学会2003年秋季大会（岡山大学）2003年9月20-23日

講演番号 23aXE-1 （講演概要集58巻第2号第4分冊755ページ）

6.         *立石幸一、戸田泰則、稲垣克彦、市村晃一、丹田聡

「1T-TaS₂における電荷密度波の集団励起ダイナミクスと温度特性」

2003年度秋季第64回応用物理学会学術講演会（福岡大）2003年8月30日-9月2日

６．在外研究

市村晃一

「多層カーボンナノチューブにおける電子状態の研究に関する研究開発動向の調査」

2003年2月から2003年4月 ヘルシンキ工科大学低温研究所、エスポー（フィンランド）

７．科研費・助成金等の取得状況

野村一成　　受託研究・独立行政法人日本学術振興会　　　　　３，５００千円

                    「物性物理学における学術動向の調査研究」

８．その他

野村一成　　日本学術振興会学術システム研究センター専門研究員

松永悟明、野村一成、佐々木孝彦、中村敏和

擬一次元有機導体(TMTTF)₂Brにおけるスピン密度波転移

SDW transitions in Q1D organic conductor (TMTTF)₂Br

Selected Topics of 2002 Annual Report at Sendai P.7.

High Field Laboratory for Superconducting Materials,

Institute for Materials Research, Tohoku University