2014 Fiscal Year Annual Research Report
フラストレート磁性体の固体化学的構造制御による新奇磁性の開発
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14J07886
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
石川 孟 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC2)
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2014-04-25 – 2016-03-31
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| Keywords | 固体化学 / フラストレート磁性 / 構造相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン間のすべての磁気相互作用を満たすことができないというフラストレーションを有する磁性体では、単純な磁気秩序が阻害された結果として、磁気秩序をもたないスピン液体状態や、スピンネマティック状態とよばれる磁気四極子秩序などの新しい磁気状態が実現することが期待され、盛んに研究が行われている。一方、実験的にそのような状態を示した物質はほとんど存在しないため、新しいモデル物質の開発が望まれている。
本研究では磁性を担う原子が、三角形が頂点を共有して二次元的に連なったカゴメ格子を形成する磁性体に注目し、フラストレーションに起因する新奇な磁気状態を実現することを目的として、モデル物質の高品質試料の作製と物性評価、および、新規モデル物質の開拓に取り組んだ。
NaBa2Mn3F11はカゴメ格子内において、強磁性的な最近接相互作用と反強磁性的な次近接相互作用の競合によるフラストレーションが期待されるフラストレート磁性体である。この物質の純良な多結晶試料を作製し、磁化率、比熱の測定から基礎的な磁性を明らかにした。さらに、中性子回折実験を行いスピン構造に関する知見を得た。
Cu3V2O7(OH)2・2H2Oは異方的なカゴメ格子をもち、カゴメ格子内において一次元的な相互作用の競合が生じるフラストレート磁性体である。この物質の大型かつ高品質な単結晶試料を、水熱合成法により作製することに初めて成功した。単結晶試料を用いて75 Tまでの強磁場磁化測定実験を行った結果、30 T以上の磁場領域において1/3磁化プラトー状態を観測し、23-26 Tの磁場領域においてスピンネマティック状態との関連が示唆される新たな磁気相を観測した。
さらにフラストレート格子をもつ新規モデル物質として、KCu3V2O7(OH)2Cl、KMoOPO4Cl、RbMoOPO4Clを見出し、単結晶試料の作製に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初予定していた、NaBa2Mn3F11、Cu3V2O7(OH)2・2H2Oの純良試料の合成を行い、磁化、比熱測定による基礎物性の評価を達成することができた。
NaBa2Mn3F11に関しては、中性子回折実験により低温において立体的なスピン構造の実現を示唆する興味深い結果が得られた。
Cu3V2O7(OH)2・2H2Oに関しては、単結晶試料を用いた75Tまでの強磁場磁化測定実験において、1/3磁化プラトー状態とその直前の新しい磁気相を発見することができた。また、興味深い磁気状態を発見することができただけでなく、複数の構造相転移を発見し、単結晶X線回折実験による構造解析を行うことに成功した。今後、磁性研究と合わせて、構造相転移の起源を明らかにするような実験も並行して行う予定である。
新規モデル物質の探索を行う過程において、Cu3V2O7(OH)2・2H2Oの単結晶をKCu3V2O7(OH)2Cl、BaCu3V2O8(OH)2の単結晶に変換することに成功した。今後、この結晶を用いた単結晶構造解析や物性の評価を進めていくことにより、等方的なカゴメ格子の磁気フラストレーションに起因した新奇磁気状態の実現が期待できる。
新規二次元フラストレート磁性体の候補物質として、KMoOPO4Cl、RbMoOPO4Clを見出した。この物質においては、純良な粉末試料だけでなく、物性測定が可能な単結晶の育成に成功した。今後、この結晶を用いた詳細な物性の評価を進めていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
NaBa2Mn3F11、Cu3V2O7(OH)2・2H2Oに関するこれまでの研究において、結晶構造と磁性が密接な相関をもつことが明らかとなった。今後は、磁性の評価と並行して、より精密な構造解析や、構造相転移の起源を明らかにするような実験を行うことにより、これらのモデル物質が示す磁気状態に関する理解を深めることができると考えられる。
これまでの研究において、より等方的なカゴメ格子をもつKCu3V2O7(OH)2Cl、BaCu3V2O8(OH)2の単結晶試料を得ることができた。単結晶を用いた詳細な磁化や比熱測定や、強磁場磁化測定実験を行うことにより、カゴメ格子に特有な磁場誘起磁気秩序状態などの観測を目指す。
これまでの研究において新規二次元フラストレート磁性体の候補物質であるKMoOPO4Cl、RbMoOPO4Clの単結晶試料を得ることができた。単結晶を用いた物性評価を行い、フラストレーションに起因した磁気状態の観測を試みる。
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