| Project Area | Unveiling, Design, and Development of Asymmetric Quantum Matters |
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| Project/Area Number |
23H04870
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大原 繁男 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60262953)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 達磨 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (30370472)
鬼丸 孝博 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (50444708)
小林 夏野 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60424090)
清水 悠晴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90751115)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥187,720,000 (Direct Cost: ¥144,400,000、Indirect Cost: ¥43,320,000)
Fiscal Year 2025: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000)
Fiscal Year 2024: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2023: ¥50,310,000 (Direct Cost: ¥38,700,000、Indirect Cost: ¥11,610,000)
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| Keywords | アシンメトリ量子 / 反転対称性の破れ / 結晶合成 / カイラリティ / 多極子秩序 / 拡張多極子 / ウラン化合物 / ファン・デア・ワールス物質 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、典型的なアシンメトリ量子物質を物質系として創出して、系統的な研究から、その機能の理解と制御を深化させる。従来のエレクトロニクスは空間反転対称性が破れていない物質に対して築かれてきた。その視点を転換し、結晶構造における対称性の破れに起因する電子状態を記述し、その機能を予測するアシンメトロニクスという理工学分野の新概念を構築する。
そのために本研究では、原子から原子クラスターサイズの電子の電荷・スピン・軌道の複合自由度、アシンメトリ量子、を持つ物質系を合成する。非対称性と機能物性が強く紐付けられた物質系を開発し、新たな機能開拓のための新機軸を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究計画にもとづいて，アシンメトリ量子物質の合成法の精密化と合成環境の拡充、物質系の合成と基礎物性の評価を進めた。
カイラル結晶について大原と松田が合成と測定を進めた。大原はA01の松村らとの共同研究により，カイラル物質GdNi3Ga9が反強磁性秩序がねじれたカイラルらせん磁気構造をもつことを立証した。この磁気構造は希土類金属間化合物としては世界初の観測である。松田はIrGe4の合成と角度高分解能光電子分光測を行い，バンド計算との比較検討を行って電子状態を明らかにした。また，松田は立方晶Yb3Rh4Ge13が過去の報告とは異なるカイラル結晶構造を持ち，さらに超伝導体であることをA01の岩佐らと共に明らかにした。
鬼丸はジグザグあるいはハニカム構造をもつ物質の開拓と物性研究として，希土類ハニカム磁性体SmPt6Al3を合成し，その磁気構造を決定するとともに，結晶場効果と反対称相互作用による系統的解釈を与えた。また，磁性半導体YbCuS2の中性子回折において，磁場誘起の３倍周期磁気構造を検出し、イッテルビウムのジグザグ鎖における磁気フラストレーションの存在を明らかにした。
清水は，擬カゴメ構造を持ち、ウラン原子が空間反転対称性をもたないUCoAlを合成し，超音波測定の共同研究から遍歴メタ磁性の臨界終点が多極子自由度が絡んだ新奇な状態であることを明らかにした。この成果は論文誌のHot Topicsに選ばれている。また，UCoAlと同じ結晶構造を持つURhSnに関する研究をNMR、共鳴X線散乱、超音波測定の共同研究へと発展させ，URhSnにおける反四極子秩序がカイラリティをもつことを明らかした。URhSnについては，本予算で整備した機器を持ちいて，微細加工試料による精密物性測定も進めている。これらの成果については論文をまとめる段階に至っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記実績に加えて，次の進捗があった。今年度の目的を達成しており，研究は順調に進展している。
カイラル物質については，電子状態を明らかにするために大原と松田は共同研究を始め，非磁性カイラル結晶LuNi3Al9とLuNi3Ga9の合成と角度光電子分光測定（大原），量子振動の測定（松田）を行い，バンド計算と比較検討できる情報を得た。
アシンメトリ量子物質の物性測定として，松田はIrGe4の超伝導状態における非相反輸送現象の研究のため，試料をA02の井澤と木俣に提供し，微細加工試料を用いた精密測定へと展開した。また，立方晶SmTr2X20を合成し，低温秩序相内で電子のサイクロトロン有効質量が静止質量の26倍の重い電子状態にあることを量子振動測定により立証した。秩序と四極子自由度との関係が理論から指摘されており，多極子秩序のもとでの新しい強相関電子状態かどうか検証を始めている。
新物質開拓として，3d-4f共存系のジグザグ磁性体が探索され、フェリ磁性体RCo2In（鬼丸）や強磁性体MnCoGe（大原）の結晶合成に至り，拡張多極子秩序が期待されるジグザグ反強磁性体合成への手がかりを得た。小林は，反転対称性が破れた単層状態で特異な超伝導を示すNbSe2を既存のファン・デア・ワールス積層物質に挟み込んだ新物質の合成に成功した。この物質では，低温高磁場で超伝導対が運動量を持つ（FFLO）状態の実現が期待される。
物性制御として，大原はカイラルらせん磁性体YbNi3Al9の磁気特性がPdやPt置換により調節できることを見出し，各元素が持つスピン軌道結合がどのように磁気構造へと反映されるのか，解明を始めている。
合成や観測手法の拡充として，小林は準安定非対称薄膜合成装置を導入し，清水はウラン化合物の微細試料評価に必要な実体顕微鏡，マニピュレータ，スパッタ装置，ロックインアンプを整備し，利用を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
C01の担うアシンメトリ量子物質の典型例と異常な例の開拓と合成のために，構成メンバーの長所を活かした独立な活動を進めるとともに共同研究の推進に注力する。独立した活動については，実績や進捗状況に記した昨年度の研究の萌芽から研究を推進して発展させるとともに，論文としての取りまとめを進める。カイラルを典型とするアシンメトリ量子物質については，大原と松田の協働が円滑に進み始めており，月１回程度の会合も計画している。対称な物質に何らかのアシンメトリを導入して縮退を解く手法としては，立方晶からの開拓を鬼丸が，ファン・デア・ワールス積層の制御からの開拓を，昨年度導入した装置を用いて，小林が進める。ウラン化合物ではこれまでに多くのアシンメトリ量子物質が見出されておりさらなる発展が期待される。清水は新しいウラン化合物開拓を引き続き行うとともに，合成環境の拡充として，今年度はウラン化合物の高圧下合成装置の管理区域への整備を行う。また，昨年度までに整備したウラン化合物の精密加工を活用して，アシンメトリ量子現象の観測も進める。
今年度より公募研究が加わることから，物質合成研究を行っているC02（計画研究），D01（公募研究）がそれぞれの発展と融合をめざす必要がある。研究会の開催など，情報交換を積極的に行い，相互に協力する。新たに合成したアシンメトリ量子物質について、A01やA02との共同研究は進み始めているので継続して発展させる。B01に提供できる高精度の結晶構造やバンド構造の観測も進み始めており，観測情報の提供とともに理論家と議論を深めて相互作用を高める。
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