新物質科学研究部門
Division of New Materials Science
酸化物高温超伝導体、フラーレンやカーボンナ
ノチューブ、有機伝導体などの例に見られるように、「新物質」の発見はこれまでに何度となく物質科学の新しい局面を開いてきた。新奇な物性現象の発見はまた将来の新しい素材やデバイスの開発にもつながる。新物質科学研究部門では、新しい物質を合成し、高度な技術を用いてその性質を測定することにより、新しい物質観につながる物性現象を発見し解明することを目標としている。
当部門は現在 4 つの研究室から成り、各研究室は自由な発想のもとに高品質の試料作成や精密物性測定、新しい物性測定技術の開発などを行
いつつ、物性測定グループと試料作成グループとの部門枠を越えた連携も心がけている。特に物質設計評価施設とは強い協力関係を保ちながら研究を推進している。当部門では現在、遷移金属化合物、重い電子系物質、有機伝導体など強い電子相関を示す物質におけるスピン、軌道、電荷の秩序や揺らぎの効果がもたらす多彩な現象の解明を主要なテーマの１つとしており、極低温における輸送現象測定、精密磁化・比熱測定、核磁気共鳴、
光学伝導度などにおいて高度な実験技術を駆使した研究が進められている。

Discoveries of new materials have often opened
new horizons in materials science. High temperature oxide superconductors, carbon clusters andnanotubes, and organic conductors are good
examples. New materials also lead to the future development of new devices and technologies. The goal of
the Division of New Materials Science is to uncovernovel phenomena that lead to new concepts of matter,through combined efforts of search, synthesis andcharacterization of new materials. Currently, ourdivision consists of 4 groups. Although each group
has its own research style and projects, we try tomaintain close collaboration between those groups
working on production of high quality materials andthose working on advanced technology for measuringphysical properties.
In particular, we keep strong collaboration with
the Materials Design and Characterization Laboratory. One of the subjects of our current intensive
research is the effects of strong electronic correlation,in particular, various ordered phases and fluctuations
involving spin, charge and orbital degrees of freedom,in transition metal compounds heavy electron
systems, f-electron compounds and organic conductors. Here, various advanced experimental techniques
are employed, such as transport, magnetic and calorimetric measurements, nuclear magnetic resonanceand optical measurements.

教

授

瀧川

仁

助

教

三田村

教

授

榊原

俊郎

助

教

吉田

教

授

森

助

教

Professor
Professor
Professor

TAKIGAWA, Masashi
SAKAKIBARA, Toshiro

初果

MORI, Hatsumi

裕幸

特任研究員

冨田 崇弘

誠

特任研究員

志村

恭通

松本

洋介

特任研究員

清水

悠晴

Research Associate MITAMURA, Hiroyuki
Research Associate YOSHIDA, Makoto
Research Associate MATSUMOTO, Yousuke

Project Researcher TOMITA, Takahiro
Project Researcher SHIMURA, Yasuyuki
Project Researcher SHIMIZU, Yusei

准教授

中辻

知

助

教

橘高

俊一郎

特任研究員

ティアン ザオミン

准教授（客員）

松平

和之

助

教

上田

顕

特任研究員

武田

晃

村山

千壽子

特任研究員

肥後

友也

特任研究員

東野

寿樹

特任研究員

フィユアン マンAssociate Professor NAKATSUJI, Satoru
Visiting Associate Professor MATSUHIRA, Kazuyuki

Research Associate KITTAKA, Shunichiro
Research Associate UEDA, Akira

教授(外国人客員）ネヴィドムスキー アンドリ 教務職員
Visiting Professor

NEVIDOMSKYY, Andriy

Technical Associate MURAYAMA, Chizuko

Project Researcher TIAN, Zhaoming

Project Researcher TAKEDA, Hikaru
Project Researcher HIGO, Tomoya

Project Researcher HIGASHINO, Toshiki
Project Researcher HUIYUAN, Man

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新物質科学研究部門

Division of New Materials Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/takigawa_group.html

瀧川研究室

瀧川

仁

TAKIGAWA, Masashi

Takigawa Group教授

Professor

核磁気共鳴法（ＮＭＲ）を主な実験手段として、固体内吉田誠

YOSHIDA, Makoto

助教

Research Associate

We use nuclear magnetic resonance (NMR) as the major
experimental tool to investigate exotic phenomena caused bystrong electronic correlation in solids. A remarkable feature ofstrongly correlated electron systems is the competition among
various kinds of ordering such as superconductivity, ferroor antiferromagnetism, charge and orbital order. Quantum
phase transitions between these ground states can be causedby changing the external parameters such as magnetic field orpressure. Nuclei have their own magnetic dipole and electric
quadrupole moments, which couple to the magnetic field orelectric field gradient produced by surrounding electrons. This
makes NMR a powerful local probe for microscopic investigation of the exotic order and fluctuations of multiple degrees
of freedom of electrons, i.e., spin, charge and orbital. We use
various NMR spectrometers in different environment (lowtemperature, high magnetic field and high pressures) to investigate transition metal compounds, rare earth compounds, andorganic solids.

の強い電子間相互作用に起因する現象を研究している。強相関電子系では、超伝導、強 ( 反強 ) 磁性､ 電荷秩序、軌道秩序といった多彩な秩序状態が拮抗しており、磁場 ･ 圧
力などの外的条件を変えることでこれらの間の量子相転移が起こり得る。原子核は固有の磁気モーメントや電気四重極モーメントを持っており、これらは周囲の電子が作る磁場や電場勾配を感じている。このためＮＭＲは、固体内電子のスピン、電荷、軌道などの自由度が絡み合って現れる特異な秩序状態や揺らぎの性質を、ミクロに探る有力な実験手段となる。我々は色々な特色を持つパルスＮＭＲ測定装置を整備し、低温・強磁場・高圧などの外的環境条件と組み合わせて、遷移金属化合物、希土類化合物や有機固体を対象とした研究を行っている。

ＮＭＲスペクトルの解析から得られた、亜鉛不純物の周りの銅スピンの分布の様子。× は亜鉛不純物を、赤い丸は銅原子を示す。また
塗りつぶした赤丸は磁場と同じ向きのスピン、中抜きの赤丸は磁場と反対向きのスピンを表し、丸の大きさ
は ス ピ ン の 大 き さ を 表 す。
黒丸はホウ素の位置を示し、その中の番号は左図のスペクトル線の番号に対応する。
ＮＭＲスペクトルでは、亜鉛不純物と同じ原子層だけ
でなく、その上下に隣り合う原子層からの信号も観測されている。

隣り合うスピン２量体が平面内で直交配列した量子磁性体 SrCu2(BO3)2 の、極低温・高磁場におけるホウ素（B）原子核のＮＭＲスペクトル。測定に用いた試料は、磁性元素である銅（Cu）のうち 0.5% を非磁性元素である亜鉛（Zn）で置き換え、
意図的に不純物を導入してある。不純物から遠いスピン 2 量体はシングレットを形成するが、不純物によって孤立した銅スピンの周囲には、局所的な反強磁性磁化パターン（スピン・ポーラロン）が現れる。前者は内部磁場ゼロ付近の強い共鳴線（図の矢印）として、後者はそれ以外の 15 種類の共鳴線によって実証される。

The boron NMR spectrum at a very low temperature and a high magnetic
field obtained from SrCu2(BO3)2, a quantum magnet in which spin-dimers
have a planer orthogonal configuration. The sample used in the measurement was intentionally doped with impurities by replacing 0.5 % of magnetic Cu by non-magnetic Zn. The spin-dimers far from impurities form
singlet, however, those in the neighborhood of Zn impurity generate local
staggered magnetization (spin polaron). While the former corresponds
to the intense resonance lines with nearly zero internal field (shown byarrows), additional 15 resonance lines provide a fingerprint of the spinpolaron generated by a Zn impurity.

Distribution of Cu-spin moments in the neighborhood of a Zn impurity
obtained from analysis of the NMR spectrum The location of the Zn impurity is indicated by × and red circles show Cu atoms. The solid (open) red
circles indicate Cu spins directed along (opposite to) the external magnetic
field. The Black circles show boron sites, where the numbers show correspondence to the resonance lines in the NMR spectrum. In the NMR spectrum, not only the boron sites on the same layer as the Zn impurity but also
the boron sites on the neighboring layers are observed.

研究テーマ Research Subjects
1. 低次元、フラストレート・スピン系のダイナミクスと量子相転移
Dynamics and quantum phase transitions in low dimensional or frustrated spin systems
2. 特異な超伝導体
Exotic superconductors
3. 強相関電子系における電荷・軌道・多極子の秩序と揺らぎ
Ordering and fluctuations of charge, orbital, and multipoles in strongly correlated electron systems
4. 磁性有機伝導体におけるスピンと電荷のダイナミクス
Spin and charge dynamics in magnetic organic conductors

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labs/sakakibara_group.html

榊原研究室

榊原

俊郎

SAKAKIBARA, Toshiro

教授

Sakakibara Group

Professor物質の示す磁気現象は広い温度範囲にわたっている。そ

橘高

俊一郎

KITTAKA, Shunichiro

助教

Research Associate

三田村

裕幸

MITAMURA, Hiroyuki

助教

Research Associate

Magnetic phenomena in condensed matter can be observed
at a wide range of temperatures. In heavy fermions and certain
other systems, interesting magnetic behavior often occurs at
low temperatures much below 1 K. Because of difficulty inmaking magnetic measurements at such low temperatures, little
work has been done to date. Our interest is to research thosemagnetic materials having low characteristic temperatures,such as f-electron compounds, heavy fermions, quantum spin
systems, and geometrically frustrated spin systems. To study
these systems, we also develop necessary equipment. Equipment
we have successfully developed includes: high sensitivity magnetometers which are operable even at extremely low temperatures
down to the lowest of 30 mK, and equipment to perform angleresolved specific heat measurements in a rotating magnetic field.
The latter is an effective tool for investigating the nodal structures of anisotropic superconductors.

の中で重い電子系などある種の物質系では 1 ケルビンよりも遙かに低い温度領域で興味深い性質を示す場合がある。このような温度領域では通常の磁気測定手段を適用することが困難なため未開拓の課題も多く、新しい物性現象が期待される。当研究室ではこのような低い特性温度を持つ様々な物質系の磁気物性の研究を行っている。 具体的には f 電子化合物や重い電子系、量子スピン系およびフラストレート
スピン系などが研究対象で、磁化や比熱測定を主な実験手段として研究している。この目的のために、我々は 30 ミリケ
ルビンの極低温まで磁化測定が可能な高感度の磁力計や、異方的超伝導体のギャップ構造の特定に有効な角度分解の
磁場中比熱測定装置など、独自の装置開発も行っている。

直 交 ダ イ マ ー 構 造 を 持 つ イ ジ ン グ 反 強 磁 性 体 Yb2Pt2Pb の(a)80 mK における微分磁化率および (b) 磁気相図。磁場方向は[110] 方向。(c) 弱磁場で予想される磁気構造（I 相）。磁場と直交するダイマーの磁気秩序は磁場の影響を受けず（III 相、挿入図）、
磁場に依存しない転移温度を示す。一方、II’ 相では磁場に平行なダイマーは連続的に磁化が増加する。この振る舞いはイジングス
ピンモデルでは説明できず、高次多極子を非対角成分に持つ擬ス
ピンのフロップの可能性が高い。(d) は II’ 相における磁気モーメ
ントの概略図で、２重矢印が高次の磁気多極子モーメントを表す。

Phase diagram and magnetic structures of an Ising antiferromagnet Yb2Pt2Pb having an orthogonal dimer structure.
(a) differential susceptibility at 80 mK, (b) phase diagram(magnetic field direction of [110]), and (c) the expectedcollinear magnetic structure at low fields (phase I). The
magnetic structure for the dimers perpendicular to the magnetic field is immune to H and the transition temperature isindependent of H (phase III, inset). In phase II’, magnetization of the dimers parallel to H increases continuously. Thisbehavior, which does not comform to the Ising spin model,
strongly suggests the occurrence of a “pseudospin flop” dueto a hidden high-rank multipole moment. Figure (d) shows
schematic diagram of magnetic moments (thick arrows) andhigh-rank multipole moments (double arrows) in phase II’.

研究テーマ Research Subjects
1. 重い電子化合物の磁性と超伝導
Magnetism and superconductivity in heavy electron systems
2. f 電子化合物の多極子自由度に由来する秩序と揺らぎ
Multipole orderings and fluctuations in f electron systems
3. フラストレート磁性体の磁化過程
Magnetization of geometrically frustrated magnets
4. 量子スピン系の基底状態
Ground state properties of quantum spin systems

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森研究室

森

初果

MORI, Hatsumi

Mori Group教授

Professor

物質科学は、新しい概念を与える新物質の発見を契機に

上田顕

UEDA Akira

助教

Research Associate

Development of “materials science” is started from discoveriesof novel materials with new concepts.
The development of novel functionalities (electron andproton conductivities, magnetism, dielectrics, and responses byexternal stimuli such as light and electric field) has been aimed
based upon molecular materials with utilizing intra- and intermolecular degrees of freedom.
The attractive points of molecular materials are 1) that avariety of intra- and inter-molecular degrees of freedoms aredesignable and controllable, 2) that large Coulomb interactions(electron correlation) reflect the magnetism (electron particle) as
well as conductivity (electron wave) in molecular materials, and3) that large responses by external stimuli are observable due tosoftness of molecules and strong electron-phonon coupling.
In Mori group, novel Mott-type organic superconductor
κ-ET 2 Cu(NCS) 2 and charge-ordered-type one β-(mesoDMBEDT-TTF)2PF6 have been developed and characterized(Fig. 1). Moreover, novel electron-proton coupled purely organic
conductors, where conductivity and magnetism switching due
to coupled deuteron and electron transfers, have been developed
and characterized (Fig. 2).

大きな発展を遂げている。
本研究室では、内部自由度をもつ分子を基盤とし、それら分子が凝縮した分子性物質において、分子自身の個性と、分子間の相互作用による自由度が相関した、特異な機能性（電子・プロトン伝導性、磁性、誘電性およびその光・電場
による外場応答性）の開拓を行っている。
分子性物質の魅力は、１）多彩な分子内および分子間の自由度が設計・制御可能であること、２）電子間クーロン相
互作用（電子相関）が大きく、電子の波動性（伝導性）と粒子性（磁性）が競合すること、３）分子が非常に柔らかい
ため環境および外場応答性が大きく、光および電場による励起状態を経て特異な機能を発現することなどが挙げられる。
森グループでは、新しい有 機 超 伝 導 体としてモット型

κ-ET2Cu(NCS)2 や電荷秩序型 β-(meso-DMBEDT-TTF)2PF6（図１）を発見し、物性研究を行った。さらに最近では、水
素結合プロトンと伝導電子が動的に連動して、伝導性と磁性の切り替え現象を示す純有機伝導体（図２）を開発した。

図 1. 新規有機超伝導体 : (i) モット型 κ-ET2Cu(NCS)2の 単 結 晶 と (ii) 電 荷 秩 序 型 β -(meso-DMBEDTTTF)2PF6 の電気抵抗の圧力依存性。

図 2. 伝 導 電 子 と 水 素 結 合 プ ロ ト ン が 相 関 す る 純 有 機 伝 導 体
κ-X3(Cat-EDT-TTF)2 (X = H, D) において、大きな重水素効果により高温で伝導性および磁性が切り替わる。

Fig.1. Novel organic superconductors: (i)single
crystals of Mott-type κ-ET 2Cu(NCS) 2 and (ii)electrical resistivities under pressures for chargeordered-type β-(meso-DMBEDT-TTF)2PF6.

Fig.2. Switching behavior of electrical resistivity and magnetism due to large deuteron isotope effect in proton-electron
correlated purely organic conductors κ-X3(Cat-EDT-TTF)2 (X= H, D).

研究テーマ Research Subjects

1. 分子の自由度を生かした新規有機（超）導体およびプロトン伝導体の開発と機能性研究
Development and studies of structural and physical properties for novel organic (super)conductors and proton
conductors based upon molecular degree of freedom
2. 固体中で電子がプロトン運動と協奏した有機伝導体、誘電体の開発と機能性研究
Development and studies of structural and physical properties for electron-proton coupled molecular functional materials
3. 磁性と伝導性が競合する金属錯体の開発と機能性研究
Development and studies of structural and physical properties for novel metal complexes whose magnetism andconductivity are competitive
4. 分子性物質の外場（光、磁場、電場、温度、圧力）応答の研究
Studies of responses by external stimuli (light, magnetic and electric fields, temperature, pressure) for molecular materials

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中辻研究室

中辻

知

NAKATSUJI, Satoru

Nakatsuji Group

准教授

Associate Professor

物理学のフロンティアは、新しい物理現象の発見にありま松本洋介

MATSUMOTO, Yousuke

助教

Research Associate

The discovery of new phenomena is at the forefront ofresearch in condensed matter physics. This is particularly true
for the inorganic materials, which provide an important basis incurrent electronic and information technology research, whichkeep providing numbers of macroscopic quantum phenomena
due to correlations among the Avogadro numbers of electrons.
Thus, the search for new materials that exhibit new characteristics is one of the most exciting and important projects inthe materials research. We have synthesized new materials
in so-called strongly correlated electron systems includingtransition metal compounds and heavy fermion intermetallic
compounds. Our interest lies in quantum phenomena such as
exotic superconductivity and anomalous metallic states close to aquantum phase transition, novel topological phases in magnetic
metals, and quantum spin liquids in frustrated magnets.

す。なかでも、現代の電子・情報社会を支える材料である
無機物質から、物質中の１０２３個もの電子が相互作用して創りだすマクロな量子現象が続々と発見されており、物理と化学を駆使した新物質の開発こそが新しい量子現象を目指す物性物理の醍醐味であると言えます。私達の研究室では、特に遷移金属化合物や、重い電子系と呼ばれる金属間化合物の新物質開発に取り組み、量子現象として、スピン・軌
道の秩序と隣接した新しいタイプの超伝導・金属状態、さらに、幾何学的フラストレーションの効果として期待される、磁性半導体での新しいスピン液体状態、量子輸送現象などに注目して研究を進めています。
私たちの研究室は、物質の化学合成のみならず、こうした新しい物理現象の発見を目指した物理測定にも力を入れています。多様な合成法を用いて新しい化合物の単結晶育成に自ら取り組むとともに、顕著な量子効果が現れる極低温から室温まで様々な物性測定を行っています。現在の主なテーマは、（１）量子相転移近傍でのエキゾティック超伝
導と異常金属状態、（２）磁性体での巨視的トポロジカル量
子効果、（３）フラストレートした磁性体での量子スピン液体状態などがあります。

私達が発見した量子臨界超伝導体 β-YbAlB4。
（左上）結晶構造。主に Yb の 4f 電子が磁性と超伝導を担う。（右上）フラックス法で育成した純良単結晶。（下）電気抵抗の振る舞いの変化から決定した状態図。金属では初めてチューニングなしに、ゼロ磁場で量子臨界状態が実現する。（挿入図）超高純度の単結晶でのみ、この量子臨界状態から超伝導が現れる。

Quantum Critical Superconductor β-YbAlB4 found in our group(Top left) Crystal structure. 4f-electrons mainly contribute to magnetism andsuperconductivity. (Top right) High quality single crystal grown by Al-flux
method (Bottom) Phase diagram constructed by the contour plot of the exponent α of the power law behavior of the resistivity. Quantum critical region
appears under zero field without tuning for the first time in a metal. (Inset)
Superconductivity emerges from the quantum critical state only in the case ofultrapure single crystals.

研究テーマ Research Subjects
1. 量子相転移近傍での新しい超伝導と異常金属状態
Exotic superconductivity and anomalous metallic states near quantum phase transitions
2. 磁性体における巨視的トポロジカル量子効果
Macroscopic topological effects in magnetic metals
3. フラストレートした磁性体での新奇磁性、量子スピン液体状態
Novel magnetism and quantum spin liquids in frustrated magnets

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松平研究室

松平

和之

MATSUHIRA, Kazuyuki

Matsuhira Group

客員准教授

Visiting Associate Professor

三角形をベースとした結晶構造を持つ磁性体では、幾何We have studied the geometrically frustrated magnet thatis basically composed of triangular lattice. It is well known
that the geometrically frustration effect in magnet can lead tonovel phenomena such as a macroscopic degenerated groundstate with no long range magnetic ordering. Recently, thegeometrically frustration effect in the metallic strongly correlated electrons system has attracted much interest because novel
phenomena emerge in the transport properties. In particular, 4d
and 5d transition metal pyrochlore oxides, whose structures arecomposed of a network of corner-shared tetrahedra, have been
attracting much interest because of their novel transport properties such as unconventional anomalous Hall effect, superconducting transition, metal-insulator transition.
We have investigated the metallic pyrochlore rare-earth
iridates R 2Ir 2O 7 (R: rare-earth), indicating unconventional
anomalous Hall effect, metal-insulator transition and giant
magnetoresistance effect. The pyrochlore rare-earth iridates are
unique frustrated Kondo lattice systems composed of localized
4f moments and Ir 5d conduction electrons. In this collaboration, we have been exploring the quantum critical phenomena
near a disappearance of metal-insulator transition involving
antiferromagnetic ordering that is theoretically predicted.

学的フラストレーション効果により磁気秩序が抑制される。
そのため、系は不安定な状態になりやすく、大きな揺らぎの効果の発現や新しいタイプの磁気状態、巨視的に縮退した基底状態などが実現することが知られている。また、近年
では、電気伝導現象に関連した新しい物性も見出されている。松平研究室では三角形をベースとした結晶構造を持つ
強相関電子系物質に創出する「フラストレーション」や「新しい電気伝導現象」の基礎的研究を進め、新たな機能性
電子材料の開発を目標としている。
特に強い幾何学的フラストレーション効果を示すパイロク
ロア格子を有する導電性パイロクロア型イリジウム酸化物を対象として、この物質が示す金属絶縁体転移の近傍に創出する量子臨界現象についての実験的研究を行っている。

新物質科学研究部門

Division of New Materials Science

ネヴィドムスキー研 究 室
Nevidomskyy Group

ネヴィドムスキー アンドリ
外国人客員教授
NEVIDOMSKYY, Adriy
Visiting Professor

外国人客員教授

Visiting Professor

我々の研究室は強相関電子系の理論的研究を行っている。

I am a theoretical physics working in the field of strongly
correlated electron systems. As a visiting professor at ISSP in
2015, my research program comprises several projects related tothe scientific activities of my host Professor Satoru Nakatsuji:
1. The unusual electronic properties of a heavy fermion metal
α-YbAlB4 under the applied magnetic field.
2. Theoretical analysis of the angular-resolved photoemission
spectroscopy (ARPES) performed by Prof. Shin’s group on
β-YbAlB4, which exhibits a strange-metal behavior at low
temperature.
3. I have started preliminary analysis of PrTr2Al20 (Tr = V, Ti),
a compound synthesized in Prof. Nakatsuji’s group, which isa candidate for the multipolar magnetic order.
4. The magnetic properties of the frustrated pyrochlore iridate
compounds Pr2Ir2O7 and Nd2Ir2O7 are very intriguing andare a subject of active research by Prof. Nakatsuji’s group.
More in-depth theoretical studies are needed and I havestarted developing a possible numerical approach to address
this problem.

2015 年度の物性研究所客員所員として、受入れ研究室である中辻研究室の研究テーマに関連した、以下の幾つかのテーマを取り扱った。
1. 重い電子系 α-YbAlB4 が磁場下で示す特異な電子状態
2. 低温で異常金属状態を示す β-YbAlB4 に対して行われた、物性研・辛グループによる角度分解光電子分光(ARPES) の実験結果の理論的解析
3. 中辻研で合成された金属間化合物 PrTr2Al20 (Tr = V,Ti) は磁気的な多極子秩序を示す可能性もある。これに対して予備的な研究を開始している。
4. 中辻研究室において精力的に研究されているパイロクロア
イリジウム酸化物 Pr2Ir2O7 および Nd2Ir2O7 におけるフラストレーション磁性は、非常に興味深い研究テーマである。より深い理論的研究が現在必要とされており、我々はこの問題に対して可能な数値的手法の開発を開始した。
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