2018 Fiscal Year Annual Research Report
Research for Current-Induced Magnetoelectric effect in Ce zig-zag chain structure on new heavy fermion compounds
Publicly Offered Research
| Project Area | J-Physics: Physics of conductive multipole systems |
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| Project/Area Number |
18H04322
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
本山 岳 島根大学, 学術研究院理工学系, 准教授 (20360050)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 空間反転対称性 / 電気磁気効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々が発見したCe3TiBi5は局所的な空間反転対称性を持たないCeジグザグ鎖構造を有し、Ceの比較的局在性の強いf電子が反強磁性秩序を示す。拡張多極子による分類では、Ce3TiBi5の秩序状態は強トロイダル秩序状態に分類され、電気磁気効果による電流誘起磁化が期待できる。Ce3TiBi5において電流誘起磁化の探索を行った。
我々はカンタムデザイン社の磁束計MPMSを利用して予想された電流誘起磁化の観測に成功した。試料依存性や再現性、測定システムにエラーがないことを確認した。Ce3TiBi5における電流誘起磁化現象の特徴として、１「電流の変化に対して線形的に増加する。」、２「電流誘起磁化成分は磁場に依存せず、ゼロ磁場においてもその成分は存在する。」が観測され、理論研究による指摘と一致した。しかしながら、現実の系としては反強磁性状態にドメイン構造が存在すると考えられる。ドメイン構造がランダムに発生していると考えると、トータルの強トロイダル成分は相殺し、電流誘起磁化も発生しないと考えられる。また、イントラチェーン内では強トロイダル秩序状態を形成するが、インターチェーン間では120度構造を形成するとも考えられ、いくつかの問題点が残っている。
ホール素子による電気磁気効果測定システムの開発に関して、直流測定では困難であることが判明してきており、交流測定に切り替えて開発を進めている。
新たな物質探索にも取り組んでおり、Ce3TiBi5と同型の化合物Ce3ZrBi5およびRE3TiBi5（RE=La,Pr,Nd,Sm,Gd）の単結晶育成にも成功し、構造パラメータの決定を行った。
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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
理論研究との整合性と言う点において問題点はあるものの、実験的にはすでに電流誘起磁化の観測に成功し、順調に進展している。カンタムデザイン社の磁束計MPMSを利用する実験手法に関しての課題はすでに無くなり、新たに発見したCe3TiBi5と同型の化合物における電流誘起磁化現象の観測にも期待が持たれる。
理論研究との整合性については、Ce3TiBi5の詳細な磁気構造の決定や、転移温度より十分低温での電流誘起磁化現象の異方性が重要となってくる。前者を解決するためには中性子散乱実験やNMR測定、後者の解決のためには、SQUID素子やホール素子を利用した超低温下における測定が必要となる。これらの測定に関しても、準備を進めており、その成果を期待している。ホール素子を利用した測定手法は圧力下測定にも対応可能なため、Ce3TiBi5の結晶構造の対称性を破る方向への一軸圧への応用への拡張へも期待している。
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| Strategy for Future Research Activity |
電流誘起磁化が観測されているCe3TiBi5において、マクロに電流誘起磁化が発生していることを究明するため、中性子散乱実験、NMR測定およびSQUID素子を利用した超低温測定を共同研究によって計画している。また、電流の印加方向や測定方向の配置の違いによる異方性の測定が重要になるため、同様の測定方法によってこれを確かめる。同型の構造を持ち、ジグザグ鎖の原子間距離やジグザグ鎖の角度の異なる化合物Ce3ZrBi5における電流誘起磁化現象の観測を進め、この比較によってもこの系における電流誘起磁化についての考察を進める。さらに一軸圧下における電流誘起磁化の実験も残された時間で挑戦していく。六方晶の対称性を破るa軸方向と破らないc軸方向への一軸圧を印加し、実験を行う。Ce3ZrBi5とCe3TiBi5の違いは前者には磁場中に複数の磁気相が存在する点である。SQUID素子は磁場中や圧力環境下に弱いため、ホール素子による測定を現在試みている。
希土類元素を置換したSm3TiBi5において、0.1K程度のヒステレシスや磁化の大きな変化を伴う一次転移を約17Kに発見している。Sm系では価数転移が期待されるため、この転移が価数の変化を伴っているのかを確認しつつ、圧力下において一次転移のエンドポイントがないかの探索を行う。これを実行するため8GPa程度までMPMSで磁化測定が可能なマイクロセラミックアンビルセルを準備している。
Ce3TiBi5の希土類置換は、反強磁性転移温度の上昇を期待し、電気磁気効果が出現する温度の上昇を狙って行ったものであるが、現状では有効な系は見いだせておらず、今後も希土類置換による探索を継続する。
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