Magnetoelectric effect study of metallic compound with ferro toroidal state
| Project/Area Number |
21K03447
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
本山 岳 島根大学, 学術研究院理工学系, 准教授 (20360050)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 明 兵庫県立大学, 理学研究科, 准教授 (10302639)
阿曽 尚文 琉球大学, 理学部, 教授 (40313118)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 電気磁気効果 / 強トロイダル秩序 / 非共型結晶 / 反スピン軌道相互作用 / 強トロイダル状態 |
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| Outline of Research at the Start |
Ce3TiBi5およびCe3TiSb5において実現する拡張多極子秩序について，電流誘起磁化測定および中性子散乱実験を行い，電気磁気応答および磁気構造を明らかにする。新たに見出しつつある磁場中における電気抵抗率の異常について，多重極限環境下の電気抵抗率測定を行い，電気磁気効果との関係を明らかにする。電気磁気効果の定量的な評価のため，同型化合物が多数存在する315系の利点を生かし，元素置換効果を系統的に評価し，電流誘起磁化に強く影響を及ぼす主要な物理量を明らかにする。これらの課題に対して，分担者と協力して遂行する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々が発見した重い電子系反強磁性化合物Ce3TiBi5には1つのCeサイトがある。そのサイトのCeはc-glide操作によってCeジグザグ鎖構造を形成し，サイト自身に空間反転対称性がない。このため奇パリティ多極子秩序が実現する環境が整っている。我々はこのCe3TiBi5の反強磁性相において「電流に誘起され磁場には依存しない磁化」を観測した。この電流誘起磁化は強トロイダル秩序状態（奇パリティ多極子秩序）に由来すると考えられている。この新しい電気磁気効果の発現に関しては対称性に基づいた理論が構築されているが，その定量的な評価に関しては未だ顕著な進展が見られない。希土類・遷移金属・卑金属元素の置換により同型化合物が多く作成できる315系化合物（Ce3TiBi5と同型構造を持つ化合物を315系化合物と呼ぶ）の利点を生かし，反スピン軌道相互作用などの効果を系統的な評価に取り組んでいる。また基底状態の磁気構造にジャロシンスキー・守谷相互作用も需要な役割を果たすことも期待されている。
電気磁気効果が観測されたCe3TiBi5では、Ce化合物では珍しく、反強磁性転移温度以下で温度の減少に伴って困難軸の磁化率が小さくなり、容易軸で増大する。同型のCe3TiSb5は期待される通り常磁性相では非常に類似した物性を示す一方で、反強磁性相ではCe3TiBi5と異なり、通常の磁化率の温度依存性を示す。この顕著な違いの原因に原子番号の大きいBiに由来するp電子がCeのf電子に大きな影響を及ぼしていると考えられるいくつかの結果をCe3TiSb5の圧力下の電気抵抗率測定および磁化率測定より得た。
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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
Ce3TiSb5において、圧力下電気抵抗率測定および磁化率測定を実施した。
Ce3TiSb5とCe3TiBi5の磁気秩序相において磁化率の温度依存性には顕著な違いが見られる。常圧では反強磁性Ce化合物に典型的な温度下降とともに減少するCe3TiSb5の容易軸の磁化率が、圧力印加によって、温度下降で磁化率が増大する振る舞いが発達することが明らかになった。この振る舞いはCe3TiBi5と類似する。磁気秩序相での磁化率の増減は秩序している磁気モーメントの向きと関連するため、常圧におけるCe3TiSb5とCe3TiBi5では秩序状態での磁気モーメントの向きが異なっていると考えられる。そしてCe3TiSb5の磁化率の圧力によって誘起される変化は磁気モーメントが傾くことが原因であると言える。
常圧の電気抵抗率の温度依存性は、反強磁性転移温度直下でhump状の異常を示し、superzone-gap形成によると考えられるフェルミ面の再構成が期待される。すなわち、磁気構造に長周期構造があることを示す。しかしながら、圧力下ではこの特徴が失われることから長周期構造も消失していることがうかがえる。一見、無関係のように思われる電気抵抗率と磁化率の結果であるが、中性子散乱実験より、Ce3TiSb5のc面内の成分が長周期構造に関連していると推定されており、このc面内に向く磁気モーメントの成分が圧力によって徐々に傾いていくことで長周期構造にも影響が出ていると考えることが出来る。
この磁気モーメントの向きを変えために大きな役割を果たしているのがジャロシンスキー守谷相互作用であると考えられ、Ce3TiBi5では常圧においてよりジャロシンスキー守谷相互作用が強く働くことで、秩序状態における磁気モーメントの向きがCe3TiSb5とは異なり磁気容易軸で磁化率が異常な温度依存性を示していると理解できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ce3TiBi5とCe3TiSb5において、磁性サイトで空間反転対称性が破れている時に活発になるジャロシンスキー守谷相互作用などが重要な役割を果たしていることについての結果を得たものの、Ce3TiBi5の電流誘起磁化の観測の成功に続く交差相関応答の観測に至っていない。元素を置換したいくつかの同型化合物において電流誘起磁化測定を試みているが、それぞれに個別の問題がある。例えば長周期構造はその1つで、局所的には強トロイダル状態が実現していても、長周期構造によって強的な成分が相殺されてしまうことがその一例である。
今年度からU3TiGe5の単結晶育成に挑戦している。ウラン化合物は磁性元素自身が大きな原子番号を持つため、強い反スピン軌道相互作用が期待され、大きな交差相関応答も期待されている。Ce3TiBi5では酸素敏感で空気中で試料を扱いにくいことが問題であったが、粉末X線測定を空気雰囲気中で行い、その時間変化を調べた結果からU3TiGe5は安定であることが確かめられている。さらに、チョクラルスキー引上げ法によって単結晶育成にも成功し、大型の単結晶試料を得るに至っている。
今後、U3TiGe5の電流誘起磁化の探索や、磁場誘起の整流効果などの金属に特有な現象を探索するため，交流電気抵抗測定を計画し、交流信号の高次の応答に注目して非線形応答現象の観測を目指している。また、新たに微細加工技術を利用した交差相関応答測定に関する共同研究も始めた。
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Report
(2 results)
Research Products
(15 results)
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[Presentation] 反強磁性α-Mnのゼロ磁場NMRスペクトル測定2022
Author(s)
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Organizer
日本物理学会２０２２年秋季大会
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