Spin dynamics of quasicrystal and quasicrystal approximant

• Project Area: Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space
• Project/Area Number: 22H04582
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 那波 和宏 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (10723215)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 準結晶・近似結晶 / 磁気ダイナミクス / マグノン / 近似結晶 / 結晶場励起 / 準結晶

Outline of Research at the Start

近年、準結晶や近似結晶の磁性研究が目覚ましく進展している。Cd6Tb 近似結晶における長距離秩序の発見、Au-Al-Tb 、Au-Si-Tb 1/1 近似結晶における非共線的な磁気構造の解明が進められてきた。非共線的な磁気構造は磁性のみならず電子物性との関連性という点においても興味深いが、このような磁気構造を示す起源は未だに明らかではない。本研究ではこの点を明らかにすべく試料合成と中性子散乱を合わせた系統的な物性研究によって１．近似結晶、準結晶の磁気構造、２．磁気異方性、３．磁気ダイナミクスを明らかにし、近似結晶、準結晶固有の磁性を開拓することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

準結晶における磁気長距離秩序の発見、1/1近似結晶における非共線的な磁気構造の解明により準結晶・近似結晶においても特異な磁性が発現する期待が高まっている。本研究は、これらの磁気長距離秩序がなぜ発現するのかを中性子散乱によって微視的な観点から明らかにすることを目的とする。特にAu-Ga-Tb、Au-Al-Tb近似結晶に関して磁気構造と磁気励起を詳細に調べた。
初年度は磁気構造や結晶場励起のe/a依存性（単位原子当たりの価電子数）を調べ、Tbの磁気モーメントがイジング的な磁気異方性を持つことを明らかにした。二年目ではさらに低エネルギー領域にあると期待される磁気励起の観測を試みた。これまで準結晶や近似結晶において、希土類元素の結晶場励起や希土類元素からなるクラスター内の磁気励起は観測されていたが、磁気長距離秩序にともなう集団励起（スピン波励起）の観測はなされていなかった。本研究ではAu-Al-Tb1/1近似結晶の単結晶試料を用いて中性子非弾性散乱実験を行い、スピン波励起の分散関係を準結晶・近似結晶においてはじめて観測することに成功した。スピン波は線形分散を有する、ギャップレスであるという特徴を示した。本研究により、各々のTbの磁気モーメントはイジング的に振る舞う一方で、Tbの磁気モーメント間の磁気相互作用は異方的ではないことが示唆された。その理論的な解釈はまだ明らかではないが、準結晶・近似結晶における磁気長距離秩序の発現機構を理解する上で重要な実験的成果が得られた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] オーストラリア原子力科学技術機構(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] オークリッジ国立研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] Oak Ridge National Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] ANSTO(オーストラリア)
• [Journal Article] Unveiling exotic magnetic phase diagram of a non-Heisenberg quasicrystal approximant (2024)
  • Author(s): Labib Farid、Nawa Kazuhiro、Suzuki Shintaro、Wu Hung-Cheng、Ishikawa Asuka、Inagaki Kazuki、Fujii Takenori、Kinjo Katsuki、Sato Taku J.、Tamura Ryuji
  • Journal Title: Materials Today Physics Volume: 40 Pages: 101321-101321
  • DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101321
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Present Status and Future Prospects of the Thermal-neutron Triple-axis Spectrometer 4G-GPTAS (2024)
  • Author(s): Kazuhiro Nawa、Daisuke Okuyama、Hung-Cheng Wu、Ryo Murasaki、Shinnosuke Matsuzaka、Katsuki Kinjo、and Taku J. Sato
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: accepted
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic properties of the quasicrystal approximant Au65Ga21Tb14 (2023)
  • Author(s): Nawa Kazuhiro、Avdeev Maxim、Ishikawa Asuka、Takakura Hiroyuki、Wang Chin-Wei、Okuyama Daisuke、Murasaki Ryo、Tamura Ryuji、Sato Taku J.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 5 Pages: 054412-054412
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.054412
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single-crystal neutron diffraction study on the quasicrystal approximant Au70Al16Tb14 (2023)
  • Author(s): Nawa Kazuhiro、Okuyama Daisuke、Ebina Akihito、Sato Taku J、Ishikawa Asuka、Tamura Ryuji
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2461 Issue: 1 Pages: 012015-012015
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2461/1/012015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ハイパーマテリアルの結晶場励起 (2024)
  • Author(s): 那波和宏
  • Organizer: 準周期電子状態とマルチフラクタリティ・ハイパーユニフォーミティ第2回研究会
  • Invited
• [Presentation] 近似結晶Au70Al16Tb14における磁気ダイナミクス (2024)
  • Author(s): 那波和宏，松浦直人，出口和彦，石川明日香，三宅厚志，金城克樹，鈴木慎太郎，田村隆治，佐藤卓
  • Organizer: ハイパーマテリアル 第11回領域会議
• [Presentation] 近似結晶Au70Al16Tb14におけるスピン波励起 (2024)
  • Author(s): 那波和宏，松浦直人，出口和彦，石川明日香，梶本亮一，池内和彦，三宅厚志，金城克樹，鈴木慎太郎，田村隆治，佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 準結晶におけるスピン相関と格子ダイナミクス (2024)
  • Author(s): 出口和彦、松浦直人、那波和宏、佐藤卓、石川明日香、Farid Labib、田村隆治、張晋嘉、上村祥史、枝川圭一、高倉洋礼、 梶本亮一、池内和彦
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Au-Al-Tb 1/1近似結晶における異常ホール効果の起源 (2023)
  • Author(s): 那波和宏, 海老名慧一, 奥山大輔, 石川明日香, 田村隆治, 佐藤卓
  • Organizer: 「ハイパーマテリアル」第10回領域会議
• [Presentation] Magnetic properties investigation of the Au-Ga-Tb 1/1 approximant crystals with single ferromagnetic and successive ferromagnetic/antiferromagnetic transitions (2023)
  • Author(s): Farid Labib, Kazuhiro Nawa, Shintaro Suzuki, Hung-Cheng Wu, Asuka Ishikawa, Kazuki Inagaki, Takenori Fujii, Taku J. Sato and Ryuji Tamura
  • Organizer: Twenty-Sixth Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic excitations in the quasicrystal approximant Au70Al16Tb14 (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Nawa, Masato Matsuura, Kazuhiko Deguchi, Asuka Ishikawa, Ryoichi Kajimoto, Kazuhiko Ikeuchi, Shintaro Suzuki, Ryuji Tamura, and Taku J Sato
  • Organizer: International conference on complex orders in condensed matter: aperiodic order, local order, electronic order, hidden order
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Au-Al-Tb近似結晶の結晶場励起 (2023)
  • Author(s): 那波和宏, 出口和彦, 松浦直人, 梶本亮一, 池内和彦, 石川明日香, 鈴木慎太郎, 田村隆治, 佐藤卓
  • Organizer: 第27回準結晶研究会
• [Presentation] 準結晶におけるスピン相関と格子ダイナミクス (2023)
  • Author(s): 出口和彦、松浦直人、那波和宏、佐藤卓、石川明日香、Farid Labib、田村隆治、張晋嘉、上村祥史、枝川圭一、高倉洋礼、 梶本亮一、池内和彦
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Sign of a new ferromagnetic phase in Au-Ga-Tb 1/1 quasicrystalline approximant crystal with successive phase transitions (2023)
  • Author(s): F. Labib, K. Nawa, S. Suzuki, A. Ishikawa, T. Fujii, R. Tamura, T. J. Sato
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 擬スピン1/2ブリージングカゴメ格子磁性体Yb3Ni11Ge4.63の中性子非弾性散乱 (2023)
  • Author(s): 那波和宏、高橋満、奥山大輔、T. Hong、佐藤卓
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 近似結晶Au72Ga14.5Eu13.5の中性子回折 (2022)
  • Author(s): 那波和宏, 鈴木慎太郎, 竹内涼, 田村隆治, 池田陽一, 佐藤卓
  • Organizer: 「ハイパーマテリアル」第9回領域会議
• [Presentation] Sign of a new ferromagnetic phase in Au-Ga-Tb 1/1 quasicrystalline approximant crystal with successive phase transitions (2022)
  • Author(s): F. Labib, K. Nawa, S. Suzuki, A. Ishikawa, T. Fujii, R. Tamura, T. J. Sato
  • Organizer: 「ハイパーマテリアル」第9回領域会議
• [Presentation] 4G GPTASのトリセツ (2022)
  • Author(s): 那波和宏
  • Organizer: 日本中性子科学会2022年次大会
  • Invited
• [Presentation] Neutron scattering study on the magnetic quasicrystal approximant Au70Al16Tb14 (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Nawa, Akihito Ebina, Daisuke Okuyama, Asuka Ishikawa, Ryuji Tamura, Taku J Sato
  • Organizer: APERIODIC2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 近似結晶Au70Al16Tb14の中性子散乱 (2022)
  • Author(s): 那波和宏, 奥山大輔, 石川明日香, 田村隆治, 梶本亮一, 池内和彦, 出口和彦, 松浦直人, 佐藤 卓
  • Organizer: 「ハイパーマテリアル」第8回領域会議