| Project/Area Number |
23K26534
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| Project/Area Number (Other) |
23H01841 (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 (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29010:Applied physical properties-related
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
軽部 皓介 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, ユニットリーダー (00755431)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
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| Keywords | トポロジカル磁性 / スキルミオン / フラストレート磁性 |
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| Outline of Research at the Start |
多数の電子スピンが形成する「トポロジカル磁性」は、基礎科学から磁気デバイスへの応用まで幅広く注目されている。しかし、これまでの研究は限られた物質群を対象としており、発現温度や安定性の面で応用上の課題も多い。将来のデバイス応用を見据えた基礎研究の発展には、これまでの枠を大きく超えた、新奇かつ高い機能性を持つトポロジカル磁性の新規開拓が求められる。本研究では、従来の磁気相互作用に基づいた着眼点に、結晶構造の「対称性」と「乱れ」の要素を加えた独創的な物質設計により、物質群の幅を大幅に広げ、トポロジカル磁気構造および創発電磁気特性の新規開拓を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、従来の磁気相互作用に基づいた着眼点に、結晶構造の捻じれや歪みなどの特徴的な「低対称性」と、元素ドープや多元素系固溶体などの「乱れ」の要素を複合した独創的な物質設計により、トポロジカル磁気構造および創発電磁気特性の新規開拓を目指している。本年度は以下の成果が得られた。
①歪んだ三角格子を持つフラストレート磁性体GdCu2の研究
GdCu2は歪んだ三角格子を持ち40K以下で120°スピン構造を示す。純良な単結晶を用いたホール抵抗測定の結果、低温で40,000S/cmもの巨大なホール伝導率が観測された。このホール伝導率は符号反転を伴う複雑な磁場依存性を示し、温度の上昇や微量のAuドープにより縦伝導率を下げると急激に抑制されることが分かった。これらの結果は、この巨大ホール効果は通常の内因性異常ホール効果では説明できず、高いキャリア移動度と非共面的なスピン構造が複雑に絡んだ興味深い物理的機構の存在を示唆している。
②S4対称性を持つ新しい室温アンチスキルミオン物質(Fe,Rh)3Pの開拓
Fe3PはS4対称性（空間群I-4）に属する強磁性体であり、我々はこれまでに(Fe0.63Ni0.30Pd0.07)3Pにおいて室温以上でアンチスキルミオンの生成に成功している。今回、Fe3PにRhを高濃度ドープした(Fe0.64Rh0.36)3Pのバルク単結晶を合成することに成功し、磁気力顕微鏡及びローレンツ透過型電子顕微鏡観察により、室温以上で磁気ストライプ及びアンチスキルミオンを観測することに成功した。これまでの(Fe,Ni,Pd)3P系とは異なり、磁壁の方向が正方晶の[110]軸から17°程度傾いていることが分かった。これは結晶構造に鏡映面を持たないS4対称性を反映した興味深い結果である。
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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
これまでに研究目的に合致する重要な2つの成果が得られている。1つ目は歪んだ三角格子を持つGdCu2の巨大ホール効果の発見であり、著しい不純物効果から通常の内因性異常ホール効果では説明できないことを突き止めた。2つ目はS4対称性を持つ(Fe,Rh)3Pの開拓であり、Rhを36%も高濃度ドープできることを見出し、室温以上でのアンチスキルミオンの観測のみならず、磁壁が結晶軸から非自明な角度で傾いていることを発見し、結晶構造の非対称性が磁気構造に反映されている重要なデータが得られた。また、当該年度は単結晶X線構造解析装置を導入し、微小な単結晶試料で結晶構造を正確に決定することが可能となった。今後、物質開拓がさらに進行すると期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
①GdCu2の巨大ホール効果の理論的考察（共同研究による第一原理計算やモデル計算）を行う。また、これまでに得られているホール効果の最大磁場は14Tであり、10T以上の強制強磁性相に存在する巨大なピーク構造の全貌が分からない。そこで東北大学金属材料研究所の強磁場施設にて24Tまでの定常磁場ホール効果測定を行う予定である。
②(Fe,Rh)3Pの磁壁の傾きについて、理論的考察（共同研究による磁気パラメータの第一原理計算など）を進める。また、高濃度Pdドープ系の開拓なども展開していく。
③歪んだカゴメ格子を持つ磁性体に着目し、非自明な磁気構造やバンド構造に由来する創発電磁気現象を探索する。
④新しいハイエントロピー合金磁性体の探索を行う。
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