2022 Fiscal Year Research-status Report
Study on magnetic structure analysis and modeling in the nano twin boundary of magnetic shape memory alloy
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21KK0083
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
小田 竜樹 金沢大学, 数物科学系, 教授 (30272941)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 和則 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (60379097)
小幡 正雄 金沢大学, 数物科学系, 助教 (10803299)
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| Project Period (FY) |
2021-10-07 – 2025-03-31
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| Keywords | 磁気形状記憶合金 / 磁歪 / バリアント / バンド-ヤン-テラー効果 / 準粒子自己無撞着GW法(QSGW法) / マルテンサイト相 / オーステナイト相 / マルテンサイト変態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アクチュエータ等への応用が見込まれる磁気形状記憶合金(Ni-Mn-Ga系等)の記憶現象について、原子サイズでの機構解明を目標に、チェコ共和国実験研究グループとの国際共同研究や日本グループによる理論研究を進めている。昨年度(令和3年度)は
(1)Ni-Mn-Ga系で、ハバードモデルのUと密度汎関数法(DFT)を組み合わせた法(DFT＋U法)、および電子局在性を高精度に考慮できるGW法(準粒子自己無撞着GW法：QSGW法)を用いて電子局在の効果について、あるマルテンサイト相(M相)の原子構造や弾性定数が実験値と理論計算値がおおよそ一致する結果が得られることが判明した。具体的Ｕの有効数値は1.8程度で、電子局在効果が重要と考えられる。今年度は以下の研究実績があった。
(2)QSGW法は、マルテンサイト変態を特徴づけるバンド-ヤン-テラー効果を明確に証拠付けるものであった。一般化感受率の評価を通して、オーステナイト相(A相)の不安定性の議論から、変調Ｍ相である6M、10M、14Mの各相を理論計算から正当化することに成功した。特に化学量論相においては10Mへ不安定化すると分かり、実験事実を説明できることが明らかになった。
(3)電子数および磁気モーメントによる、Ａ相の不安定性の調査を通して、不安定相として出現する相の変調波数ベクトルは、磁気モーメント変化に敏感であり、Mn濃度変化により生じると思慮される小さな磁気モーメント変化により14Ｍが出現し得ることが明らかとなった。
(4)金沢大学研究分担者(若手)は、カレル大学に滞在して、実験との比較においてチェコ科学アカデミーの実験研究者と議論を行った。またこの研究者は、チェコ工科大と金沢大の二重学位制度学生と協力し、Ni-Mn-X系(X＝Al,In)でQSGW法での研究を実施して、Ni-Mn-Ga系との相違点を明らかにする研究を実施した。
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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
本国際共同研究では、双晶面付近の数原子層または数十原子層を対象に、各種第一原理的電子状態計算を駆使して、原子・磁気構造を決定し、弾性歪・磁歪・磁気異方性による相互作用エネルギーを見積もり、マルテンサイト相間転移機構や磁区構造を明らかにする等が目的である。オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移について、不安定性についての論文発表が令和4年度期間に出版された。理論研究に限定した論文としたため、実験的研究室との国際共著論文とはならなかったが、国際共同研究により実験測定に関する議論を積極的に行うことが可能となった。自己エネルギー部分に対して乱雑位相近似(RPA)の水準で電子相関を考慮した計算はこの物質系に対して世界初の研究成果報告であり、理論的な側面については予想以上の進展があったと考えている。相互作用エネルギーを見積もりや磁区構造に関する研究については今後取り組む課題となって、令和5年度に注力する予定である。マルテンサイト変態に関連した相転移についての機構解明に向けて、ナノ双晶境界の移動が重要であるとの認識に至っている。国際共同研究成果を確認するための研究会や国際会議の開催が望まれるが、対面での若手の人的交流が進んでおり全体的には、順調に進んでいると言ってよい。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）双晶面における磁区境界において、３次元ベクトル型磁気構造と格子歪を同時導入して研究する。原子スピン磁気モーメント間の交換相互作用、原子軌道磁気モーメントや磁気異方性を扱い、双晶面の磁歪を調べる。電子相関を精度良く取り入れたGW計算を実施してマテリアルデザインに役立つ指針を獲得する。
（２）5種類の計算コードを駆使して、Ni2MnGaとそのMn濃度変調系Ni2Mn(1+x)Ga(1-x)に対して、次のような要素研究を行う。(2-A)双晶面を含む系において磁気異方性を明らかにする。(2-B)双晶面(または逆位相境界面)を含む系において、原子磁気モーメント間の交換相互作用の解析を行う。(2-C)双晶面に磁場印加して、電子・磁気構造の変化を調査する。(P)双晶面の移動が、格子歪と磁気歪の協奏として発現することを示し、磁場印加や昇温により実現する可能性を示す。(Q)Mn濃度変調に対応する電子数変化による、双晶面のエネルギー安定性や移動容易性を明らかにする。(R)観測されるマルテンサイト相のエネルギー安定性を電子・磁気構造に基づいて明らかにする。双晶面を構築して、３次元ベクトル型磁気構造の電子状態計算等を実施する。その上でせん断応力下の歪、近接原子間の磁気的相互作用(Jij等)や磁気異方性(Ku等)を見積もる。
日本側若手長期滞在者[金沢大学研究分担者]は、カレル大学に滞在して、チェコで計算コードのチューニングに取り組み、理論計算を行い、ブルノ工科大学の研
究者と議論を行う。実験データとの比較においてチェコ科学アカデミーの実験研究者と議論を行う。金沢大学若手研究者は、チェコ工科大と金沢大の博士課程二
重学位制度学生と協力し、密度汎関数法を用いて弾性定数の見積もりと磁場印加下での電子状態の計算を推進する。
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| Causes of Carryover |
令和4年度5月に研究協力者の大学院生（留学生）の入国が可能となり、研究人件費（研究謝金）を使用したが、博士課程大学院生への学内手当て分が支給されたため、予定額よりも低額になった。しかし、この留学生は一旦チェコ共和国へ帰国する予定であるため、未使用額の予算は令和5年度末に再度日本へ渡航するときの旅費として必要になるものである。
また若手研究分担者が、新型コロナ感染症によるチェコ共和国の国内事情により、渡航する時期が令和5年2月にずれ込んだため、旅費の予算執行額が低額となったが、令和5年度での執行計画があり、未使用額は令和5年度に執行される予定である。また研究代表者および分担研究者は、チェコ共和国への渡航機会を今年度に関して逸してしまったため、海外渡航旅費が未使用額となった。対面での研究交流や共同研究の実施を令和5年度中に計画しており、未使用額を執行する見込みである。
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