ブリージングパイロクロア反強磁性体の超強磁場新奇磁気相の探索

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J10988
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 厳 正輝 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2022-03-31
• Keywords: フラストレート磁性 / ブリージングパイロクロア格子 / クロムスピネル化合物 / スピン-格子結合 / パルス強磁場 / 磁歪測定 / スキルミオン

Outline of Annual Research Achievements

近年、ブリージングパイロクロア格子磁性体のモデル物質として新たにクロムスピネル硫化物AA'Cr4S8 (AとA'はそれぞれ1価と3価の非磁性イオン) への注目が集まっている。そこで、これまでいくつかの物性報告が行われてきたCuInCr4S8に加えて、新たにCuAlCr4S8とCuGaCr4S8の粉末試料を固相反応法により合成し、強磁場中での物性探索を遂行した。
CuInCr4S8に対しては、すでに150 Tまでの磁化測定により酸化物と同様に1/2磁化プラトー相を発現することを見出していた。そこで、さらに60 Tまでのパルス強磁場下で磁化、磁歪、誘電率、磁気熱量効果測定を詳細に行い、温度-磁場相図を作成した。その結果、有限の閉じた温度-磁場領域において磁気スキルミオン相の発現を彷彿とさせる特徴的な磁気相が存在することを初めて見出した。新物質CuGaCr4S8とCuAlCr4S8に対しては、130 Tまでの強磁場下で磁化、磁歪測定を行い、同様に温度-磁場相図を作成した。これら3物質は磁気モデルが類似していることが予想されるが、示す温度-磁場相図は三者三様であることが明らかになった。CuInCr4S8については化学輸送法による単結晶育成も試み、合成自体は可能であるものの、磁気転移温度が合成条件に非常に敏感であることが明らかになった。試料の質はさらなる改善の余地がある。
並行して、ブリージングパイロクロア格子反強磁性体におけるスピン-格子結合理論の構築を理論家と共同で進め、様々な磁気相互作用パラメータに対する温度-磁場相図を完成させた。同様のモデルのカゴメ格子系への拡張も行い、ゼロ磁場ネマティック秩序状態や1/9磁化プラトーといったスピン-格子結合がもたらす新規磁気物性を明らかにした。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Magnetovolume Effect on the First-Order Metamagnetic Transition in UTe2 (2022)
  • Author(s): A. Miyake, M. Gen, A. Ikeda, K. Miyake, Y. Shimizu, Y. J. Sato, D. Li, A. Nakamura, Y. Homma, F. Honda, J. Flouquet, M. Tokunaga, and D. Aoki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: － Pages: －
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel quantum phase of the chromium spinel oxide HgCr2O4 in high magnetic fields (2022)
  • Author(s): S. Kimura, S. Imajo, M. Gen, T. Momoi, M. Hagiwara, H. Ueda, and Y. Kohama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: L180405
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L180405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nematicity and fractional magnetization plateaus induced by spin-lattice coupling in the classical kagome-lattice Heisenberg antiferromagnet (2022)
  • Author(s): M. Gen and H. Suwa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: － Pages: －
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of spin-lattice coupling and a magnetic field in classical Heisenberg antiferromagnets on the breathing pyrochlore lattice (2021)
  • Author(s): K. Aoyama, M. Gen, and H. Kawamura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Pages: 184411
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.184411
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ブリージングパイロクロア格子磁性体LiGaCr4O8における局所的な磁化プラトー状態の形成 (2021)
  • Author(s): 厳 正輝, 池田 暁彦, 岡本 佳比古, 石川 孟, 金道 浩一, 石井 裕人, 松田 康弘, 小濱 芳允
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] ブリージングパイロクロア格子磁性体CuInCr4S8における特異な非共面磁気秩序相発現の可能性 (2021)
  • Author(s): 厳 正輝, 石川 孟, 池田 暁彦, 三宅 厚志, Z. Yang, 岡本 佳比古, 森 政貴, 竹中 康司, 車地 崇, 徳永 祐介, 有馬 孝尚, 金道 浩一, 徳永 将史, 松田 康弘, 小濱 芳允
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Complex magnetic phase diagram with a small phase pocket in a breathing pyrochlore magnet CuInCr4S8 (2021)
  • Author(s): M. Gen, H. Ishikawa, A. Ikeda, A. Miyake, Z. Yang, Y. Okamoto, M. Mori, K. Takenaka, T. Kurumaji, Y. Tokunaga, T. Arima, M. Tokunaga, K. Kindo, Y. H. Matsuda, and Y. Kohama
  • Organizer: The International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures (ICFTS)
  • Int'l Joint Research