2016 Fiscal Year Research-status Report
電気磁気効果測定を用いた量子スピン系の強磁場物性研究
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16K05413
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
徳永 将史 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50300885)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 磁性 / マルチフェロイクス / 強磁場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の主な対象物質の一つであるBa2CuGe2O7に関しては、連携研究者である赤木氏の作製した単結晶試料に対してパルス強磁場下における磁化および電気分極の振る舞いを詳細に調べた。その結果、スピンが完全に飽和した後も有意な電気磁気効果が観測されること、また電気分極が磁化の自乗にスケールしないことなどを明らかにした。これらの結果はマルチフェロイクスの研究分野でこれまで広く用いられてきたdp軌道混成機構に対する表式では捉えきれていない現象が存在することを示している。
この捉えきれていない物理に関する考察を通して光学測定が重要であるという認識に至り、予備的な光学測定を行った。試料を厚さ11 μmまで機械研磨することで紫外から赤外領域の光の透過スペクトルの観測に成功した。今後は本格的な光学測定を通して、この波長域に見られるd電子軌道のエネルギー準位の温度磁場依存性を測定し、dp軌道混成による電気分極発生の機構をより正確に解明し、スピン系物理発展の新しい糸口としたい。
当初予定した以外のマルチフェロイック物質としてBiFeO3に関する研究も発展させた。この物質はS=5/2を持つ古典スピン系ではあるが、２種類のジャロシンスキー・守谷相互作用の競合がありスピン系としても興味深い。これまで数多くの実験がなされてきたこの物質に対して、我々は強磁場下における精密な磁化、電気分極、磁歪および中性子線回折実験などを行い、新たな磁気強誘電相があることを示した。
そのほかにも共同研究を通じていくつかの興味深いスピン系の磁場誘起相転移についても研究を進めた。特にBa(TiO)Cu4(PO4)4という量子スピン系物質に対して、最高70Tまでの磁場中で磁化および電気分極測定を行った。磁化測定の結果は理論でほぼ完全に再現され、磁場誘起逐次相転移におけるスピン配列を推定に至っている。
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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
本研究の主目的は電気磁気効果の測定を通じて量子スピン系における磁気相転移を調べる筋道を示すことにある。対象物質の優先順位は研究成果を効率良くあげるよう柔軟に対応した。研究実績欄に記載した各試料に対する実験では順調に成果を挙げており、掲載済み論文一報の他、一報の論文を投稿中であり、９件の国内学会発表および２件の国際会議発表を行っている。
Ba2CuGe2O7について磁化および電気分極測定は順調に進展しており、日本物理学会で口頭発表を行っている。この成果をしっかりとした論文にするため、現在光学測定とそれに基づいた議論を進めている段階にある。
正四角大塔型と呼ばれる構造を持つBa(TiO)Cu4(PO4)4は、本研究の趣旨にかなう新しい量子スピン系物質である。この物質に対して行った強磁場下の磁化測定結果は、共同研究者による精密な理論計算によって磁化過程はほぼ完全に再現されており、その成果は既にPhysical Review Letters誌に掲載されている。さらに電気分極測定の結果に関しても現在比較研究を進めており、順調な進展を見せている。
BiFeO3は総論文数5,800報を超える論文が報告されている非常に注目度の高い物質である。この数多くの研究でも見出されなかった新しい磁気秩序相の存在を我々は明らかにし、現在論文を投稿中である。その結果は海外でも注目されており、アメリカ物理学会のシンポジウムで招待講演を行った。
以上の物質に対する研究が予想以上に発展したためそれらの実験に集中し、装置開発を伴うCsCuCl3に関する研究は初年度ではほとんど進展させられなかった。遅れていた回転プローブの作製も現在進行中であり、２年目以降ではCsCuCl3に関する研究も進展させたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずBa2CuGe2O7に対して紫外から赤外領域までの光学スペクトルを測定し、Cuの3d電子準位の温度磁場依存性を明らかにする。これまでの予備的な測定結果で得られた3d電子準位のエネルギーはg値から予測されるものと顕著なずれを示している。本欄で詳細な説明はできないが、このずれの起源は無磁場下におけるCu-3d電子とO-2p電子との混成によるものであると見込んでいる。光学スペクトルの温度磁場依存性を調べることで、この軌道混成効果の外場依存性を明らかにして、電気磁気効果の微視的な理解に繋げたい。
新しく見つかった量子スピン系物質であるBa(TiO)Cu4(PO4)4に関しては、現在その関連物質も含めて電気磁気効果を詳細に研究中である。磁化過程をほぼ完全に再現できた理論に基づいた電気分極の計算結果と我々の実験結果との比較によって、この物質における磁場誘起電気分極の発現機構を明らかにしたい。
古典スピン系ではあるがBiFeO3の新しい磁気相は精密な電気分極測定によって初めて明らかになった。この新しい磁気相は室温で顕著な電気磁気効果を示すため、応用上も利用価値の高い相であると期待される。この相の実現条件は現時点で明らかになっていない。本研究課題の中で構築中の回転プローブなどを駆使して、今後相転移の角度依存性などを研究し、相の出現条件および電気磁気効果の詳細を明らかにしたい。
国際的にも競争相手の多い研究分野であるので、今後の進展には国内外の研究動向にも注意しつつ柔軟に対応する。上に記載した物質以外にも様々なマルチフェロイック物質に関する研究を展開したい。今後も研究の優先順位を適切に決めて、なるべく多くの重要な成果を実現できるよう心がける予定である。
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| Causes of Carryover |
本年度はBa2CuGe2O7やBiFeO3に関する研究で予想以上に面白そうな結果が得られたため、それらを深く掘り下げる研究を優先して行った。当初予定していたプローブの開発を後に回したため、その作製に必要であった物品の購入などを翌年度以降に回すことになった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
初年度に手をつけられなかった磁場中回転プローブの作製は現在進めているところである。現在いくつかの技術的トラブルに遭遇しているが、初年度から繰り越した予算を有効に使って、なるべく早期に回転プローブを完成させたい。
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[Journal Article] Magnetoelectric Behavior from S=1=2 Asymmetric Square Cupolas2017
Author(s)
Y. Kato, K. Kimura, A. Miyake, M. Tokunaga, A. Matsuo, K. Kindo, M. Akaki, M. Hagiwara, M. Sera, T. Kimura, and Y. Motome
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 118
Pages: 107601/1-5
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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