Probing topological order in f-electron system via complementary use of quantum beams

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H01864
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 金子 耕士 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (30370381)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 孝 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (10455280) ; 田端 千紘 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, .原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究員 (60783496)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 中性子散乱 / 放射光実験 / muSR / トポロジカル磁気秩序 / 磁気スキルミオン格子 / Eu化合物 / Gd化合物

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、これまでMnSiなどのd電子系を中心に研究されてきた、磁気スキルミオンを代表とするトポロジカルに保護された秩序状態について、新たにf電子系でのトポロジカル磁気秩序に着目し、中性子、放射光、ミュオンの量子ビームプローブを相補的に駆使して、静的・動的の両面から、その本質に迫ることを目的としている。
本年度は新たに２つの系について着手した。この内、磁場下でトポロジカルホール効果の出現が期待されるGd化合物について、中性子散乱によりまず基底状態での磁気構造を調べた。再稼働したJRR-3での測定において、吸収が巨大ながらも磁気反射の観測に成功し、過去の報告と秩序波数が異なっていることを明らかにした。この結果により、続く磁場下での測定への足掛かりを気付くことが出来た。
軌道磁気モーメントをもつ希土類元素について、磁場誘起秩序構造および非弾性散乱によるダイナミクスの測定を行った。磁気抵抗やホール異常が観測される磁場領域において、特殊な磁気散乱パターンの出現を観測した。これは既知の磁気スキルミオンなどとは異なる磁気構造の実現を示唆している。またダイナミクスからも、新たな特徴的な励起構造をもつことを明らかにした。以上の結果から、輸送異常の要因となる新たな磁気構造の存在が期待される。
これまでに行ってきたスピン系のEu，Gdに加え、あらたに軌道磁気モーメントを持つ系へと展開が得られた点で、大きな前進が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、主たる実験施設であるJRR-3が順調に再稼働し、Gd化合物においても中性子散乱が実験可能となった点で進展が得られた。また新たに軌道磁気モーメントをもつ系において、抵抗異常と関連する新奇構造形成の結果が得られた点では、着実な進展が得られたと言える。JRR-3では、主たる試料環境装置であるマグネット、3Heインサートも本格稼働し、今後より一層の実験の進展も期待出来る。一方、予定していた海外施設における実験は、施設のトラブルなどで制約をうけている。

Strategy for Future Research Activity

最終年度である次年度も、中性子、放射光、muSRの3プローブの相補利用による研究展開を予定している。Eu系について、これまでの実験結果をまとめるとともに、今年度新たに取り組んだGd化合物、軌道磁気モーメントを有する系については、共鳴X線およびmuSRを実施することで、全体像の把握に努める。これにより、f電子系におけるトポロジカル磁気秩序について、その特徴を明らかにすることを計画している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee
• [Int'l Joint Research] CEA Grenoble/CNRS/Institut Laue Langevin(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CEA Grenoble/CNRS/Institut Laue Langevin
• [Int'l Joint Research] MPI-CPfS/University of Frankfurt(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: MPI-CPfS/University of Frankfurt
• [Journal Article] Magnetic ground state of YbCo2Zn20 probed by muon spin relaxation (2023)
  • Author(s): Higemoto Wataru、Satoh Kazuhiko、Ito Takashi U、Ohishi Kazuki、Saiga Yuta、Kosaka Masashi、Matsubayashi Kazuyuki、Uwatoko Yoshiya
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Pages: 012039～012039
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Damped Dirac magnon in the metallic kagome antiferromagnet FeSn (2022)
  • Author(s): Do Seung-Hwan、Kaneko Koji、Kajimoto Ryoichi、Kamazawa Kazuya、Stone Matthew B.、Lin Jiao Y. Y.、Itoh Shinichi、Masuda Takatsugu、Samolyuk German D.、Dagotto Elbio、Meier William R.、Sales Brian C.、Miao Hu、Christianson Andrew D.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: L180403-1 ~ 6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L180403
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gaps in topological magnon spectra: Intrinsic versus extrinsic effects (2022)
  • Author(s): Do Seung-Hwan、Paddison Joseph A. M.、Sala Gabriele、Williams Travis J.、Kaneko Koji、Kuwahara Keitaro、May Andrew F.、Yan Jiaqiang、McGuire Michael A.、Stone Matthew B.、Lumsden Mark D.、Christianson Andrew D.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Pages: L060408-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.L060408
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phonon softening in Lu(Pt1-xPdx)2In close to a zero-temperature structural instability (2022)
  • Author(s): Gruner T.、Lucas S.、Geibel C.、Kaneko K.、Tsutsui S.、Schmalzl K.、Stockert O.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Pages: 115142-1 ~ 6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.115142
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cycloidal Magnetic Ordering in Noncentrosymmetric EuIrGe3 (2022)
  • Author(s): Matsumura Takeshi、Tsukagoshi Mitsuru、Ueda Yoshihisa、Higa Nonoka、Nakao Akiko、Kaneko Koji、Kakihana Masashi、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Pages: 073703-1~5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.073703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurement of the evolution of magnetism and superconductivity toward the quantum critical point (2022)
  • Author(s): Higemoto Wataru、Yokoyama Makoto、Ito Takashi U.、Suzuki Taiga、Raymond Stephane、Yanase Youichi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Pages: e2209549119-1~6
  • DOI: 10.1073/pnas.2209549119
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-step Mott transition in Ni(S,Se)2: μSR studies and charge-spin percolation model (2022)
  • Author(s): Q. Sheng, T. Kaneko, K. Yamakawa, Z. Guguchia, Z. Gong, G. Zhao, G. Dai, C. Jin, S. Guo, L. Fu, Y. Gu, F. Ning, Y. Cai, K. M. Kojima, J. Beare, G. M. Luke, S. Miyasaka, M. Matsuura, S.-i. Shamoto, T. U. Ito, W. Higemoto, A. Gauzzi, Y. Klein, Y. J. Uemura
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Pages: 033172-1~14
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033172
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hydrogen-Ti3+ Complex as a Possible Origin of Localized Electron Behavior in Hydrogen-Irradiated SrTiO3 (2022)
  • Author(s): Ito Takashi U.
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 20 Pages: 128～134
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-021
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SmAu3Al7が示す重い電子状態と共存した部分無秩序相における磁気構造 (2023)
  • Author(s): 東中隆二, 北川紘章, 金子耕士, 伊藤孝, 大原高志, 田端千紘, 鬼柳亮嗣, 萩原雅人, 中尾朗子, 神戸振作, 松田達磨, 青木勇二
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] α-Mnの常圧反強磁性相の磁気構造 (2023)
  • Author(s): 荒木新吾, 多田龍輝, 秋葉和人, 小林達生, 田端千紘, 金子耕士, 長壁豊隆
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 反強磁性体U2Pt6Al15の中性子散乱 (2023)
  • Author(s): 太田玖吾, 渡部悠貴, 松本裕司, 田端千紘, 金子耕士, 芳賀芳範
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 放射光・中性子の相補利用によるアシンメトリ量子観測 (2023)
  • Author(s): 田端千紘
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Magnetic Skyrmion Lattice in Eu-based Trillium Lattice Compound EuPtX (X=Si, Ge) (2022)
  • Author(s): K. Kaneko, C. Tabata, T. Takeuchi, M. D. Frontzek, M. Matsuda, K. Ohishi, T. U. Ito, K. Munakata, R. Kiyanagi, M. Kakihana, M. Hedo, T. Nakama and Y. Onuki
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Updates on Facility and Sample Environment from JRR-3 (2022)
  • Author(s): K. Kaneko
  • Organizer: 10th International Workshop on Sample Environment
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] New Standard for Low Temperature Sample Environment at JAEA/JRR-3 (2022)
  • Author(s): K. Kaneko, M. Hagihala, H. Yamauchi, Y. Oba, T. Kumada, M. Kubota, C. Tabata, Y. Kojima, Y. Shimojo, K. Kodama, T. Osakabe
  • Organizer: 10th International Workshop on Sample Environment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] α-Mnの圧力誘起磁気秩序相 の磁気構造 (2022)
  • Author(s): 荒木新吾, 岩本凱成, 秋葉和人, 小林達生, 宗像孝司, 長壁豊隆, 金子耕士
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 反転心を持たない磁性体EuIrGeにおけるサイクロイド型磁気構造 (2022)
  • Author(s): 松村武, 上田祥央, 塚越舜, 比嘉野々花, 中尾朗子, 金子耕士, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Magnetic Order in Honeycomb Layered U2Pt6Ga15 Studied by Resonant X-ray Scattering (2022)
  • Author(s): Chihiro Tabata
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Resonant X-ray Scattering Study of 5f-electrons in uranium intermetallics (2022)
  • Author(s): Chihiro Tabata
  • Organizer: International workshop on Microscopic Properties of Quantum Materials
  • Int'l Joint Research / Invited