| Project/Area Number |
23K22446
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| Project/Area Number (Other) |
22H01175 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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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 | Tohoku University |
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Principal Investigator |
今井 良宗 東北大学, 理学研究科, 准教授 (30435599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
那須 譲治 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40610639)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000)
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| Keywords | 量子スピン液体 / キタエフモデル / スピン軌道モット絶縁体 / 金属絶縁体転移 / 高圧合成 / キタエフ量子スピン液体 / スピン軌道相互作用 / モット転移 |
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| Outline of Research at the Start |
本研本研究課題では，従来のキタエフ量子スピン液体研究では脇役とされてきた非磁性サイトに着目し，配位子の役割を考慮したキタエフ量子スピン液体に関する新しいモデルの構築と，キタエフ相互作用とそれらとの協奏によって現れる新現象の開拓を目的に研究を行う．配位子サイトを系統的に制御したルテニウムハライドの電子相図の解明，および，キャリアドープ効果の検証のテーマに取り組み，キタエフ量子スピン液体に関する新しい学理の構築を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，研究計画に従って，配位子サイトを系統的に制御したルテニウムハライドについて研究を行った．
まず，金属絶縁体転移近傍の磁気構造を決定するために，粉末中性子散乱実験を行った． RuBr3は低温でジグザグ反強磁性秩序を形成するが，金属絶縁体転移近傍では現時点で詳細な磁気構造は確定していないものの，ジグザグ反強磁性から他の磁気構造へと変化することを確認した．
第２に，この系の電荷ダイナミクスを明らかにすることを目的として，赤外分光測定を行った．RuBr3はRuCl3と同様，オンサイトクーロンエネルギー（U）に対応するエネルギーにブロードなピークを観測した．ピーク位置から見積もったRuBr3のUは，RuCl3と比べて0.2-0.3 eV程度小さな値であった．これは，Ruのd軌道とハロゲンのp軌道の混成が強まることによって，実効的にUが減少していることを示唆しており，バンド計算の結果ともよく一致している．
第３に，化学的圧力効果と物理的圧力効果との比較を行うために，圧力下での電気抵抗率測定および放射光を用いた構造解析を行った．圧力印加に伴い，RuBr3の結晶構造は，完全なハニカム格子を持つ構造から，ジグザグ鎖ボンドを有する結晶構造を経て，アモルファス相へと変化する．一方，RuI3は圧力印加に伴って，完全なハニカム格子を持つ構造から，ジグザグ鎖ボンドを有する結晶構造を経て，面内のRuがダイマー結合を形成する相へと変化する．いずれの系も，物理的な圧力は，ハニカム面内の構造に強い影響を与えることを明らかにした．
また，理論としては，ルテニウムハライドの磁気秩序の安定性と磁気励起スペクトルを系統的に調べるための枠組みを構築した．そのデモンストレーションとして，RuCl3を念頭に置いた理論模型に対して励起スペクトルを計算し，マグノン散乱が磁気励起に顕著な影響を与えることを示した．
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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
当初予定していた通り，配位子サイトを系統的に制御したルテニウムハライドの電子相図に対する理解が大きく進展したことができたことが理由である．まず，中性子散乱実験から，金属絶縁体転移近傍での磁気構造が，RuCl3やRuBr3とは異なるものであることを明らかにした．これはこの系の磁気相互作用が配位子によって変化していることを強く示唆している．当初予定していた通り，配位子サイトを系統的に制御したルテニウムハライドの電子相図に対する理解が大きく進展したことができたことが理由である．まず，中性子散乱実験から，金属絶縁体転移近傍での磁気構造が，RuCl3やRuBr3とは異なるものであることを明らかにした．これはこの系の磁気相互作用が配位子によって変化していることを強く示唆している．さらに，電荷ダイナミクスの測定から，オンサイトクーロンエネルギーが減少していることを実験的に明らかにすることができた．これは，Ruのd軌道とハロゲンのp軌道の混成が強まることによって実効的にオンサイトクーロンエネルギーが減少することによるものであり，この系の金属絶縁体転移がバンド幅制御によるものであることを示している．これはバンド計算の結果ともよく一致している．さらに，化学圧力に対応する配位子置換効果との比較を行うために，物理的な圧力効果に関しても研究を行った．物理的な圧力効果は，化学的圧力効果とは異なり，ハニカム面内のルテニウム間の結合に強い影響を与えることを見出した．
理論的にも，ルテニウムハライドの磁気的性質を系統的に調べるための枠組みを構築することができた．今後は，これをRuX3に適用することによって，配位子サイトの影響を系統的に調べる予定である．
したがって，当初予定していた通り進んでいることから，おおむね順調に研究は推移していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，ルテニウムハライドに対する圧力効果に関する研究と，キャリアドーピングの関する研究を中心に遂行する．まず，金属絶縁体転移近傍の組成を持つRu(Br,I)3に対して，圧力下での電気抵抗率測定を行う．化学的な圧力印加に相当する配位子サイト置換によって金属絶縁体転移が1次転移として起こることを見出したが，物理的な圧力印加によっても金属絶縁体転移が起こるか否か，転移の詳細を明らかにする．次に，キャリアドーピング効果を明らかにするため，（１）層間にアルカリ金属Aを挿入し電子をドープしたAxRuX3，（２）ハロゲンサイトをカルコゲンChで置換し，ホールをドープしたRu(X,Ch)3に関する研究を行う．（１）に関しては，高圧合成を用いて作製した母物質RuX3に対してソフト化学的な手法を用いてアルカリ金属Aのインターカレーションを行う．（２）に関しては，高圧合成を用いて試料合成を行う．得られた試料に対して，X線回折測定によって相を同定し，SEM-EDXによって組成分析を行う．さらに，基礎的な電子物性（電気抵抗率，磁化率，比熱，赤外分光スペクトルなど）の測定を行うことによって，キャリアドーピングによる電子状態の変化を明らかにする．理論的に示唆されているように，超伝導が確認された場合には，電子対の対称性を明らかにするために，上部臨界磁場やポイントコンタクトによる微分伝導度の測定を行う．
理論計算の側からは，第一原理計算に基づいたホッピングパラメータから求めた局在有効模型に対してモンテカルロ法などを適用することで，実験的に安定化するzigzag秩序の起源を明らかにする．また，スピン波理論に基づいて動的相関関数を評価し，配位子の効果が磁気励起スペクトル及ぼす影響を明らかにする．
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