2019 Fiscal Year Research-status Report
Electronic Theory for High-Performance Rare Earth Permanent Magnets
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18K04678
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉岡 匠哉 東北大学, 工学研究科, 特任助教 (00724387)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古賀 昌久 東京工業大学, 理学院, 准教授 (90335373)
土浦 宏紀 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30374961)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 希土類永久磁石 / 電子論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では, 希土類永久磁石における磁気特性の微視的・定量的な理論的記述を確立し, 高性能磁石開発の指針を与えることを目的とする. そのためにまず, 希土類遷移金属化合物を対象として第一原理電子状態計算を実行し, その結果に基づいて各元素が担う磁気異方性や磁気モーメント等のパラメータを導出する. また, 希土類イオンの4f軌道と遷移金属イオンの3d軌道が混成する効果を取り入れることで, より現実的なモデルを構築し, 信頼性の高い計算手法で有限温度磁気特性を解析する.
当該年度では, Nd2Fe14Bを対象として, 局在4f 電子と伝導電子が磁気的相互作用をもつ簡単なモデルを構築した. このモデルを用いて有限温度の磁化曲線について調べた結果, あるパラメータ領域で実験で観測されるスピン再配列転移を再現することが可能であることを明らかにした. また, 4f電子が比較的良く局在した状況が実現しているとされるSmFe12系化合物の有限温度磁気特性ついて調べた結果, 実験と比較可能な結果が得られることを明らかにした. これらの成果は論文として出版されている.
さらに, 4f-3d軌道の混成が強いとされるCe系遷移金属化合物については, その軌道の混成効果を取り入れた微視的有効モデルを構築し, その有効性を検証した. その結果, Ce2Fe14BやCeFe11Tiにおいては実験で観測されていた磁気異方性の低下を定性的に説明することに成功した. 一方で, 希土類比率の大きいCeCo5化合物においては, 混成の取り入れ方が不十分であるため実験結果を再現できておらず, モデルのさらなる改良が必要であることを明らかにした. また, 希土類イオンの4f電子が担う磁気異方性の解析的な表式を導出した. これによって, 第一原理計算結果から直接磁気異方性の温度変化を得ることが可能になり, 複雑な理論模型に磁気異方性の効果を取り入れることが容易となった.
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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
研究代表者の吉岡と研究分担者の土浦および古賀は, 定期的にミーティングを持ち, 永久磁石の高性能化に向けた電子論に関する議論を行っている. 吉岡と土浦は4f 電子に軌道混成効果を取り入れる形で従来の枠組みを超えた解析手法の開発を行っている. 研究分担者の古賀は, 4f 電子と伝導電子が強い相関をもつモデルに関する有限温度の磁気特性を解析するコードを開発してる.
電子の遍歴性を考慮したモデルについて, 有限温度磁化曲線の計算を行った結果は, タイトル「Magnetic properties in the metallic magnets with large anisotropy」として査読誌Journal of Low Temperature Physicsに出版されている. また, 電子の局在性を仮定したモデルを用いて, 有限温度磁気特性を実験と比較した結果は, タイトル「Magnetic anisotropy constants of ThMn12-type Sm(Fe1-xCox)12 compounds and their temperature dependence」として査読誌Journal of Magnetics and Magnetic Materialsに出版されている.
現在, それぞれ独立に確立した上記の有効モデルを融合させた遍歴性, 局在性を併せもつモデルを構築している. これに対して, 固体内電子の強い相関効果を非摂動論的に扱える手法を開発している. このように研究代表者と分担者は希土類永久磁石材料における電子論について歩調を揃えて研究を進めており,当該年度ではおおむね順調に進展している.
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では, 希土類4f 電子が担う磁気異方性が遷移金属3d電子が担う磁化に伝達される機構に注目する. そのためにまず, 第一原理計算によって 希土類・遷移金属間化合物の電子状態を正確に求める. その結果をもとに種々のモデルパラメータを求める. 磁気異方性について, 従来の手法では4f電子が核に閉じ込められた状態を仮定して計算を行っていたが, ここでは, 伝導電子との軌道混成効果を取り入れたWannierization 法を導入する. この手法を様々な化合物に適用し, その妥当性を検証する. また, 4f 電子が担う局所磁気異方性と3d 電子が担う磁化を結びつける軌道混成効果について, これまでは現象論的に扱っていたが, 今後は混成の強さを第一原理計算から定量的に見積もり, より現実的な理論モデルを構築する. 有限温度磁気特性の定量的評価法については, 固体内電子ｆ間の強い相関効果を非摂動論的に扱える手法(動的平均場理論) を適用し, 有限温度磁気特性を計算ためのコードを開発する.
最終年度では上記の手法で得られた計算結果を実験と比較することで, ここで提案した希土類永久磁石化合物に対する電子論的手法の有効性を確認し, 4f 電子のもつ磁気異方性が3d 電子系の持つ磁化に伝達する機構を明らかにする. このように理論的手法を確立した後, 新規希土類磁石における有限温度の磁気特性を評価し, その性能を理論的に予測する.
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| Causes of Carryover |
COVID-19の影響で研究打ち合わせが困難となったため、未使用額が生じた. 次年度の旅費として使用する.
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Research Products
(6 results)
