| Project Area | Unveiling, Design, and Development of Asymmetric Quantum Matters |
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| Project/Area Number |
23H04871
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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 | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 教授 (30566758)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
芳賀 芳範 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (90354901)
松平 和之 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (40312342)
石渡 晋太郎 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (00525355)
小手川 恒 神戸大学, 理学研究科, 教授 (30372684)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥187,720,000 (Direct Cost: ¥144,400,000、Indirect Cost: ¥43,320,000)
Fiscal Year 2026: ¥32,110,000 (Direct Cost: ¥24,700,000、Indirect Cost: ¥7,410,000)
Fiscal Year 2025: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000)
Fiscal Year 2024: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2023: ¥50,440,000 (Direct Cost: ¥38,800,000、Indirect Cost: ¥11,640,000)
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| Keywords | アシンメトリ量子 / スケールシームレス / 交差相関 / 反転対称性の破れ / アシンメトリ量子物質 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、単一原子から複数原子集団までを対象とする広域的な物質開発を推進する。特に、アシンメトリ量子物質に特有のスケールシームレス性の実証と、新規かつ感受率の大きい交差相関応答材料の開発を通し、アシンメトリ物質科学のフロンティアを開拓する。多彩な物質の開拓と精密物性評価を通して、結晶構造や電子状態におけるアシンメトリを切り口とした分野融合研究の推進、戦略的物質探索手法の確立、非従来型交差相関応答の学理の解明、革新的な機能性材料の創成に貢献する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
単一原子から複数原子集団までを含む広範な物質系を対象として物質を開発し、アシンメトリ量子物質に特有の交差相関現象の開拓と空間スケールシームレス性の検証を推進した。
クラスター多極子に関しては、12Lペロフスカイト酸化物Ba4BiIr3O12における215 Kでの非磁性相転移やアンチフェロアキシャル転移を示すCa5Ir3O12における室温電流誘起格子歪みの機構を解明した。特に後者は、点群から許容されるピエゾ効果では説明できない特異なメカニズムに起因することを示した。NbMnP, TaMnP純良単結晶では、反強磁性（クラスター磁気トロイダル四極子）由来の異常ホール効果の観測に成功した。NbMnPでは異常ホール効果の発生機構が内因性のものであることを解明し、その成果はJ. Phys. Soc. Jpn.の注目論文に選出された。また、Ce2CuGe6ではf電子系として初めて反強磁性由来のゼロ磁場異常ホール効果の観測に成功している。
マクロな空間スケールを有するアシンメトリ量子物質の候補であるトポロジカル半金属1T’-MoTe2において、逆フレキソエレクトリック効果の観測に成功した。この効果は、結晶ではなく外場の非対称性を利用した導電性物質における巨大交差相関応答であり、新しい振動センサーや環境振動発電への応用が期待される。
より多彩な物質系におけるアシンメトリ量子物質の開拓を目指し、ウラン化合物や無機塩の物質探索も推進した。スピン三重項超伝導体UTe2や遍歴電子メタ磁性体UCoAlでは、磁場下において特異な弾性応答や伝導電子系の異常応答を検出し、特にUTe2では弾性応答と超伝導の関連を明らかにした。一方、無機塩では絶縁性擬カゴメ磁性体InCu3(OH)6Cl3や量子カイラル磁性体LiCu2BP2O8(OH)2の開発に成功し、それぞれ1/3磁化プラトーやメタ磁性転移の観測に成功した。
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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
昨年度に引き続き、当計画研究の目的を達成するために必要な設備備品の導入を進めた。具体的には、既存の高圧合成装置の改良（阪大）を行い、10万気圧以上の超高圧環境下で局所非対称物質の開発を効率的に行うことを可能とした。また、アクチノイド専用の熱分析装置を導入したことで（原研）、ウラン化合物の物質探索を加速する基盤を整備した。2023年度に導入した設備は順調に稼働しており、極限水熱環境発生用高温高圧装置（北大）により磁気トロイダル双極子に起因する電気伝導の非相反性が期待されるGdPtAlの開発や、レーザードップラー振動計（九工大）によりCa5Ir3O12の低温相においてピエゾ応答の観測に成功した。また、局所非対称性評価装置（神大）は既存のNMRと連動することで、物質の局所非対称性の評価を促進している。
本計画研究では、アシンメトリ量子物質のスケールシームレス性に基づく分野融合の推進と、より広い物質系にアシンメトリ量子の概念を拡げることを目的としている。これらの目的に対して、物質開拓は順調に進んでいる。「研究実績の概要」に記したように、1~10 nmの空間スケールを有するクラスター多極子系やマクロな空間スケールを有するトポロジカル系において多彩なモデル物質の開拓に成功し、アシンメトリ量子物質に特有の異常ホール効果や逆フレキソエレクトリック効果等の交差相関現象が観測されている。また、典型的な金属間化合物に留まらず、酸化物や塩化物、水酸化物を含む絶縁体、アクチノイド物質、準結晶物質など、幅広い対象にアシンメトリ量子物質の概念を拡張することができつつある。
実際に、2024年度は19本の論文発表、13件の招待講演、2件のプレスリリース実績があり、これらは研究が順調に進んでいることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当計画研究の目的「アシンメトリ量子物質のスケールシームレス性の検証と分野融合研究の推進」を達成するために、原子からメゾスケールにわたるより広い空間スケールを有するアシンメトリ量子物質の開拓と、より多彩な物質系におけるアシンメトリ量子物性の開拓を進めることが重要である。高温高圧合成や水熱合成による極限環境下での新物質探索、ブリッジマン法やフラックス法などによる単結晶育成により、アシンメトリ量子物性の発現条件を満たす局所構造を有する遷移金属、希土類、アクチノイド、分子性化合物等の物質群を開発する。また、磁化・比熱 ・局所構造歪み等のバルク物性とNMR・NQRによるミクロ物性の評価を通し、新機能性を開拓する。
2024年度の研究では、0.1 nmから数mmにわたる空間スケールを有する様々なアシンメトリ量子物質の開拓に成功した。一方で、当計画研究が扱ったのは、金属間化合物や酸化物等が中心であり、有機化合物や錯体、無機有機ハイブリッド化合物、金属有機構造体、メタマテリアルなど、アシンメトリ量子物質の候補として重要な物質系は扱えていない。これらの課題を解決し研究目的を達成するために、上記物質群を扱う研究者を領域内外から募ったトピカルミーティングの開催を企画している。共同研究を活発化させ、物質に多様性をもたらすことが重要である。
前年度までに引き続き、計画研究「量子ビームによるアシンメトリ量子物質のミクロ解析」および「精密物性測定 によるアシンメトリ量子物質の新機能開拓」と協力して量子ビーム実験や交差相関計測による可視化実験を推進し、さらに計画研究「アシンメトリ量子物質の基礎理論と設計」との共同研究により物質探索の戦略を共有したい。物質探索に関しては、計画研究「アシンメトリ量子物質の深化」、公募研究「アシンメトリ量子物質の創出」と協力することで、独自性の高い物質開拓を推進したい。
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