2020 Fiscal Year Research-status Report
2次元三角格子を持つ新規イッテルビウム化合物で発現する量子スピン液体の研究
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18K03504
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
小坂 昌史 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (20302507)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
道村 真司 埼玉大学, 研究機構, 助教 (40552310)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子スピン液体 / 低次元磁性 / フラストレーション / 希土類化合物 / 磁性 / 低温物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はYbAgS2において観測される、低温での低次元磁性の解析について大きな進展が見られた。YbAgS2はこれまで研究を進めてきた、YbAX2(Yb:イッテルビウム, A:アルカリ金属元素, X:カルコゲン)と同じ組成比を持つが、単斜晶系に属し、Yb原子のネットワークは一次元ジグザグ鎖構造を持つ化合物であることがわかった。本物質は6.7Kにおいて磁気転移を示すが、磁化及び比熱の温度変化には転移温度の直上に特徴的なブロードピークが表れる。この振る舞いに対して、一次元鎖内の磁気相互作用に加え、鎖間の3次元的な磁気相互作用を平均場近似として取り込んだ一次元反強磁性鎖模型を適用し、磁化の温度変化を説明することに成功した。その結果は、ブロードピークと反強磁性転移の発現が鎖内と鎖間それぞれの磁気相互作用に起因する可能性を示唆するものであった。なお、この解析に必要となるg因子は当該温度領域にて電子スピン共鳴実験を実施し、実験的に決定した値を用いている。また、J-PARC施設で行った、粉末中性子回折実験及びミュオンスピン回転緩和実験より6.7Kの転移が反強磁性転移である実験的証拠を得ることに成功した。中性子回折パターンには非常に弱い磁気反射が一つ観測されたのみであり、磁気構造の特定には至らなかったが、結晶格子と不整合な磁気構造の可能性が高いことがわかった。
また、非磁性のYb2+イオンと磁性を持つYb3+イオンが結晶中に周期的に配列するYb5Ge4において観測される低次元磁性に関して学術論文1編を公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
Yb原子の二次元三角格子を有するYbAX2(Yb:イッテルビウム, A:アルカリ金属元素, X:カルコゲン)に関しては国際的な研究の進展により、その特徴が明らかになってきた。そこで、本年度は新たな研究対象物質として六方晶化合物のYbAl3C3を選定した。YbAl3C3はYbAX2と同様にYb原子が二次元三角格子を形成し、極低温領域でスピン一重項基底状態をとる化合物である。YbAX2系は基本的に絶縁体であるが、YbAl3C3は通常金属に比べて非常に少ないものキャリアーが存在し、電気伝導を示す違いがある。さらに、本物質は80K付近に主にアルミニウム(Al)とカーボン(C)の原子変位による、六方晶から斜方晶への構造相転移を示す。この構造相転移を抑制することができれば、極低温でスピン液体状態の実現が期待できると考え現在研究を進めている。本物質は過去にリチウム溶媒中で単結晶育成を行った際に、上記の構造相転移を示さないYbAl3C3が得られた経緯がある。その育成条件の絞り込みを続けているが、構造相転移を完全に抑制した試料の育成には至っておらず、継続中である。
また、新規化合物であるYbAgSe2を作成し、得られた微小な単結晶試料を用いたX線回折実験を行い、結晶構造の精密化を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
Yb化合物を舞台とした量子スピン系の研究は近年さらなる広がりを見せている。例えば、歪んだペロブスカイト型構造を持つYbAlO3は一次元量子スピン系に特徴的な振る舞いを内包した反強磁性体である。本物質では、一次元ハイゼンベルグ反強磁性鎖で期待されるスピノンの励起スペクトルが非弾性中性子散乱実験によって観測されることに加え、反強磁性転移に伴い生じる内部磁場よって、スピノンの伝搬が阻害される様子も実験結果に表れている。先に紹介した一次元的なジグザグ鎖構造をもつYbAgS2もYbAlO3と近い状態になっていることが期待される。今後は、二次元三角格子系に限らず、Yb3+磁性イオンの低次元的なネットワークを有する結晶構造を持つ化合物へも探索を拡張し、詳細な基礎物性測定並びに、量子スピン特有の性質を知る上で強力な手法となる中性子非弾性散乱実験にも対応できる純良な試料の作成を進めていく。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルス感染防止による外出規制等の措置により、国際会議、国内学会等で計上していた旅費を使用しなかったため。
今年度の実験試料の作成に必要な機材及び測定装置の購入に充てる予定である。
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[Presentation] 希土類絶縁体YbTS2(T:Ag,Cu)の磁気秩序2020
Author(s)
石﨑嵩人, 荒瀬将太朗, 野田新太, 山本隆文, 松川健, 大曲雄大, 鬼丸孝博, 飯塚亮介, 道村真司, 小坂昌史, 大山研司
Organizer
日本物理学会
