2023 Fiscal Year Final Research Report

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

Research Project

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Project/Area Number	20H01864
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research Institution	Japan Atomic Energy Agency
Principal Investigator	Kaneko Koji 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, 研究職 (60783496)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	トポロジカル磁気秩序 / 中性子散乱 / 放射光実験 / muSR / 磁気スキルミオン格子 / Eu化合物 / Gd化合物
Outline of Final Research Achievements	In this project, we focused on topological magnetic ordered states in f-electron systems, represented by magnetic skirmions mostly found in d-electron systems. In order to get insghts into its static structures and their dynamics, we employed complementary use of neutron, synchrotron and muon spectroscopies. At first, we established an environment that allows precise orientation of the sample and a neutron scattering experiment under an external field. Then we revealed characteristics of magnetic skyrmions in f-electrons, such a magnetic field-sensitive anisotropic skyrmion phase in EuPtSi and their dynamics, another skyrmion phase in the isostructural EuPtGe with a peculiar ordering vector, as well as a multistep magnetic transitions in new Eu-based magnetic skyrmion compound EuAl4. Overall, this project succeeded to provide new form of topological magnetic order realized in f-electron compounds.
Free Research Field	強相関物性，中性子散乱，放射光X線
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	次世代省電力デバイスの候補としても期待されるトポロジカル磁気秩序について，f電子系を対象として研究を行った結果，d電子系とは異なる，より単周期かつ磁場方向依存性の強い磁気スキルミオン格子の実現を明らかにした．この成果は，学術的には，d電子での交換およびDM相互作用の競合とは異なる，新たなメカニズムで磁気スキルミオンが生じることを示している．また応用面から，より単周期，高密度での磁気スキルミオンが可能であることを明らかに出来た点で有意義であると言える．本成果は，より一般的な化合物でも普遍的に磁気スキルミオンが実現していることを示唆するもので，物質探索においても有益な知見を提供することが出来た．