2018 Fiscal Year Research-status Report
磁場中の中性子回折を利用したスピン間に働く交換相互作用の値の決定方法の確立
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18K03551
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
長谷 正司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (40281654)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 磁場中の中性子回折 / 磁場誘起モーメント / スピン / 交換相互作用 / 常磁性状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究目標は、スピン間に働く交換相互作用の値を、汎用的に、簡便に、正確に決定する方法の確立である。本研究で提案する方法では、磁気秩序がない常磁性状態で、磁場中の中性子回折を利用することで、サイト毎の磁場誘起モーメントの値を調べ、交換相互作用の符号や大小の情報を得る。その情報を踏まえた上で、磁化や比熱などの実験結果と計算結果を比較して、より正確に交換相互作用の値を決定する。
2018年度は、交換相互作用の値が分かっているCu3(P2O6OD)2を用いて実証実験を行った。スピンを持つ2種類のCuサイトがあり、…-Cu1-Cu2-Cu2-…という配列の1次元スピン系（3倍周期鎖）が形成されている。磁化と中性子非弾性散乱の結果から、2つのCu2間の交換相互作用（J1）の値は111 K、Cu1とCu2間の交換相互作用（J2）の値は30 Kと評価されている。反強磁性のJ1相互作用が強いので、Cu2サイトの磁場誘起モーメントの値は小さく、Cu1サイトの磁場誘起モーメントの値は大きいと予測される。粉末試料に対して、磁場中の中性子回折実験を行い、予測通りの結果が得られた。また、新規の量子スピン系を持つと期待されているK2Cu3O(SO4)3の中性子回折実験も行った。先行研究では、低温でも磁気秩序が無いと報告されていたが、実際は磁気秩序が存在することが分かった。その磁気構造を決めた。
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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
1年目は、Cu3(P2O6OD)2とK2Cu3O(SO4)3を研究する予定であった。研究実績の概要に記した通り、この2物質の実験と解析を行った。前者については、論文を執筆中で、後者については、論文を投稿中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度はNi2V2O7を対象とする。この物質では、TN1 = 6.7とTN2 = 5.7 Kで磁気転移が起こるが、磁気構造は分かっていない。2 Kでは8から30 Tの間で1/2量子磁化プラトー（一種の常磁性状態）が見られる。2種類のNi2+サイトが存在する。スピンの値は1である。3種類の短いNi-Ni対が存在し、それらの交換相互作用をJ1, J2, J3.と表すことにする。交換相互作用の値については3組の報告例があり、収束していない。J1 = 33.5 K, J2 = 37.4 K, J3 = 470 K (モデル1)、J1 = 1.8 K, J2 = 6.0 K, J3 = 161 K (モデル2)、J1 = 9 K, J2 = 38 K, J3 = 17 K (モデル3)。なお、全てが反強磁性相互作用だと評価されている。
以下の手順で、Ni2V2O7の交換相互作用の値を決定する。まず、ゼロ磁場での磁気構造を決めて、交換相互作用の符号を調べる。次に、9 Tの磁場中で中性子回折実験を行い、Ni1とNi2サイトの磁場誘起モーメントの大きさ（M1とM2）を決める。例えば、モデル1または2が正しければ、J3相互作用で形成される反強磁性ダイマーのため、M1は小さく、孤立スピンに近いので、M2は大きいと期待される。一方、モデル3が正しければ、J2とJ3相互作用で形成される反強磁性テトラマーのため、M1とM2は近いと期待される。帯磁率や磁化曲線の結果だけでなく、M1とM2の値も考慮することで、交換相互作用の値をより正確に決めることを目指す。
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| Causes of Carryover |
（理由）スイスPSIへの外国旅費を東大物性研から支給されたためと、人件費が予定よりもかからなかったためである。
（使用計画）液体ヘリウム代200千円、その他消耗品費131千円、外国旅費（2回）600千円、国内旅費（2回）140千円、人件費（週1回）580千円、その他12千円に使用する予定である。
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