Investigation of magnetic structures for lanthanoid ferromagnetic elements under high pressure

• Project/Area Number: 19KK0070
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 美藤 正樹 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (60315108)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片宗 優貴 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (50772662) ; 高阪 勇輔 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 助教 (60406832)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 高圧力下中性子回折 / 高圧力下磁気測定 / ランタノイド系単一元素強磁性体 / ランタノイド系 / 強磁性 / 希土類金属 / 高圧力 / 中性子回折 / 磁気測定 / 希土類 / 強磁性体

Outline of Research at the Start

本申請課題で、希土類強磁性体の高圧物性における未解決問題に決着を付ける。磁気測定の結果は、5-15 GPaの高圧力下でランタノイド系強磁性元素の磁気秩序が消失するであろうことを示唆している。しかし、常圧で磁気測定と一致する温度で異常を示す電気抵抗では、特徴的な抵抗異常は100 GPaでも観測されている。本研究は、我々の世界最高レベルの「高圧力下磁気測定」と、スペインがLaue-Langevin研究所で進行中の“Xtreme-Dプロジェクト”の協力を得て進める世界最先端の高圧・低温中性子回折との共同研究によって、希土類強磁性元素の高圧力下での磁性状態を徹底的に解明する。

Outline of Annual Research Achievements

まず、最終年度にしてようやくHoの高圧力下中性子回折の成果を論文として公表することに成功した。これはこれまでの先行研究で示唆されていた8 GPa付近での磁気秩序が実は存在せず、我々の高精度磁気測定の結果が示唆していたことの方が正しいことを証明することになり、本課題研究の意義を大きくアピールするものとなった【Sci. Rep.で公表、九工大のホームページでも公表】。
次に、ILLでHoと同時期に高圧力下中性子回折を行ったTbにおいて、低温高圧下での磁気構造解析が難航していた。過去の先行研究における結晶構造解析の結果を参考にしていては、磁気構造解析の精度が向上しなかったことから、SPring-8にて低温高圧力下X線構造解析実験を行った。この結果を踏まえてTbの磁気構造解析を進めている。
ErとTmの高圧力下中性子回折をILLで行うために、30 GPaまでの圧力領域で交流磁化測定を行った。ErはTbと同様の圧力応答を示し、TmはHoと同様の圧力応答を示すことを実験的に示し、Gd-Tmの6元素を3つのグループに分類できることを証明した【Phys. Rev. Bで公表】。そして、Hoと同様の圧力応答を示すTmに対し、ILLで低温高圧力下中性子回折を行った。
Gdについては、初年度に中性性吸収が小さい160Gdを入手し、翌年度ILLでの高圧力下中性子回折に挑戦していた。しかし、Gd本来の高い中性子吸収係数のために実験に失敗していた。しかし、ホット中性子を利用した試行実験で回折実験に成功したため、念願のExtreme-Dのビームラインを用いて高圧力下中性子回折を実施する準備を整える段階にまで到達した。2024年6月に本研究課題で最も優先度の高い実験を遂行することができる状態に到達することができた。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ザラザラ大学(スペイン)
• [Int'l Joint Research] ラウエランジェバン研究所(フランス)
• [Int'l Joint Research] Zaragoza Univ.(スペイン)
• [Int'l Joint Research] ILL(フランス)
• [Int'l Joint Research] Zaragoza Univ.(スペイン)
• [Int'l Joint Research] The Institut Laue-Langevin(フランス)
• [Int'l Joint Research] Zaragoza Univ./ICMA/CSIC(スペイン)
• [Int'l Joint Research] The Institut Laue-Langevin(フランス)
• [Journal Article] High pressure studies of the T-P phase diagrams of erbium and thulium up to 30GPa by using ac magnetization experiments (2024)
  • Author(s): Mito Masaki、Kimura Yuta、Campo Javier
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 109 Issue: 6 Pages: 64414-64414
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.064414
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Revisiting the magnetic structure of Holmium at high pressure by using neutron diffraction (2023)
  • Author(s): M. Pardo-Sainz , F. Cova, J. A. Rodriguez-Velamazan, I. Puente-Orench, Y. Kousaka, M. Mito and J. Campo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 12168-12168
  • DOI: 10.1038/s41598-023-39284-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 超伝導量子干渉素子を用いた高圧力下磁気測定 (2023)
  • Author(s): 美藤 正樹
  • Journal Title: 高圧力の科学と技術 Volume: 32 Pages: 138-146
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 超伝導量子干渉素子を用いた高圧力下磁気測定 (2023)
  • Author(s): 美藤正樹
  • Journal Title: 高圧力の科学と技術 Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New magnetic intermediate state, “B-phase”, in the cubic chiral magnet MnSi (2022)
  • Author(s): M. Ohkuma, M. Mito, M. Pardo-Sainz, Y. Kousaka, S. Iwasaki, K. Ohishi, J. Akimitsu, K. Inoue, V. Laliena, and J. Campo
  • Journal Title: APL Materials Volume: 10 Issue: 4 Pages: 041104-041104
  • DOI: 10.1063/5.0084342
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-pressure magnetic properties of antiferromagnetic samarium up to 30 GPa using a SQUID-based vibrating coil magnetometer (2021)
  • Author(s): Masaki Mito, Hirotaka Kondo, Taiki Arase, Kunihiko Irie, Seishi Takagi, Hiroyuki Deguchi, Takayuki Tajiri, and Mamoru Ishizuka
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 5 Pages: 054431-054431
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.054431
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relationship of magnetic ordering and crystal structure in the lanthanide ferromagnets Gd, Tb, Dy, and Ho at high pressures (2021)
  • Author(s): Mito Masaki, Kimura Yuta, Yamakata Kanako, Ohkuma Masahiro, Chayamichi Hirotaka, Tajiri Takayuki, Deguchi Hiroyuki, Ishizuka Mamoru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 2 Pages: 24444-24444
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.024444
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic measurements of hydrogen desorption from palladium hydride PdH0:64 prepared by severe plastic deformation (2020)
  • Author(s): M. Mito, T. Fukuyama, Y. Kitamura, H. Deguchi, K. Edalati, Z. Horita
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 127 Issue: 21 Pages: 215109-215109
  • DOI: 10.1063/5.0010025
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of uniaxial pressure on the spin ice Ho2Ti2O7 (2020)
  • Author(s): Edberg R., Bakke I. M. B, Kondo H., Sandberg L.Orduk, Haubro M. L., Guthrie M., Holmes A. T., Engqvist J., Wildes A., Matsuhira K., Lefmann K., Deen P. P., Mito M., Henelius P.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 18 Pages: 184408-184408
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.184408
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structure of high-density Fe56 cluster Nd2Fe14B under high pressure (2020)
  • Author(s): Tajiri Takayuki、Mito Masaki
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 498 Pages: 166163-166163
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.166163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong suppression of Curie temperature of spin-polarized ferromagnet La1?xSrxMnO3 by application of dynamic strain (2020)
  • Author(s): Mito M.、Tsuruta K.、Tajiri T.、Ikeda N.、Ohkuma M.、Kohno A.、Konishi K.、Deguchi H.
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 10 Issue: 2 Pages: 025220-025220
  • DOI: 10.1063/1.5124951
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 超小型ダイヤモンドアンビルセルとSQUID磁束計を用いた Liの高圧力磁気測定 (2022)
  • Author(s): 荒牧武生，美藤正樹
  • Organizer: 第63回高圧討論会
• [Presentation] ランタノイド系強磁性体Tm, Erにおける高圧力下磁気測定 (2020)
  • Author(s): 木村祐太, 美藤正樹, 出口博之
  • Organizer: 第126 回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] 希土類金属強磁性体Dy, Tb, Ho の高圧力下磁気測定 (2019)
  • Author(s): 木村祐太, 近藤広隆, 大隈理央, 美藤正樹, 出口博之
  • Organizer: 第125回日本物理学会 九州支部例会
• [Presentation] 希土類金属元素サマリウムの高圧力下磁気測定 (2019)
  • Author(s): 近藤広隆, 荒瀬太輝, 本原拓弥, 美藤正樹, 高木精志, 石塚守
  • Organizer: 第125回日本物理学会 九州支部例会
• [Remarks] 「ホルミウムの高圧力下の強磁性磁気秩序の有無」の真偽を明らかにしました。
  • URL: https://www.kyutech.ac.jp/whats-new/topics/entry-10037.html
• [Remarks] 単一元素金属における54番目の超伝導現象を発見― サマリウムの高圧力下磁気測定をはじめて成功 ―
  • URL: https://www.kyutech.ac.jp/whats-new/press/entry-8481.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 導電性反磁性材料の生産方法及び導電性反磁性材料 (2021)
  • Inventor(s): 美藤正樹
  • Industrial Property Rights Holder: 美藤正樹
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021