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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Material search and investigation of spin-nematic state induced by spin-orbit interaction

Publicly Offered Research

Project AreaPhysical Properties of Quantum Liquid Crystals
Project/Area Number 22H04462
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

平井 大悟郎  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (80734780)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2024-03-31
Keywords多極子秩序 / スピン軌道相互作用 / 5d電子系 / ダブルペロブスカイト / 四極子秩序 / レニウム化合物 / 分子軌道 / 金属絶縁体転移
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、5d 遷移金属酸化物の物質開発により、強いスピン軌道相互作用(SOI)のもとで発現する量子液晶状態を探索し、その特性の解明を目指します。温度に換算すると5000度にも達するSOI が働く 5d 電子系では、スピンと軌道の自由度が結合し多彩な量子相が発現します。その1つがスピンネマティック相であり、近年実験でもその存在が確認されていますが、その性質についてはまだよくわかっていません。そこで、2022年度は申請者らがすでに量子液晶状態の兆候をとらえているBa2MgReO6という物質に対する詳細な測定から特徴的な性質の解明を進めました。
Ba2MgReO6に圧力を印加した時の電子状態変化を明らかにするために圧力下の磁化・比熱測定を行いました。その結果、4万気圧以上の圧力においてスピンネマティック相が消失し、同時に磁気秩序が強磁性的から反強磁性的な振る舞いに変化することが明らかになりました。これは、スピンネマティック相と強磁性的磁気秩序が強く相関していることを示します。また、圧力印加効果は、Mgサイトにより大きなイオンを置換した時の振る舞いと類似しており、両者の関連性に興味がもたれます。
また、4d遷移金属を含むRuPが300 K付近で金属から急激に絶縁体へと変化する相転移の起源を詳細な結晶構造の解析により明らかにしたところ、結晶中でRu原子が3つ整列する新しいタイプの分子が形成されることが明らかになりました。結晶構造の温度変化を詳しく調べた結果、相転移よりも高温の金属状態でも分子が出来かけており、ちょうど液晶のような状態であることが分かりました。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は、5d 遷移金属酸化物の物質開発により、強いスピン軌道相互作用(SOI)のもとで発現する量子液晶状態を探索し、その特性の解明を目指します。2022年度は申請者らがすでに量子液晶状態の兆候をとらえているBa2MgReO6という物質に対して圧力を印加して、どのような電子状態が発現するかを検証しました。圧力下の測定で一般的に用いられる電気抵抗率測定ではスピンネマティック相や磁気秩序相の変化を捉えることが出来ないため、比較的難しい圧力下の磁化・比熱測定を、10万気圧を超える圧力領域まで行いました。この結果、測定系の改良によりこれらの相転移の変化を観測することに成功しました。圧力実験によって、低温の磁気状態が強磁性から反強磁性的に変化することと、強磁性相の高温のみにスピンネマティック相が出現することを明らかにしました。当初計画していた圧力に対する応答が明らかになり、元素置換効果との関連性があることもわかってきました。
また、RuPの金属―絶縁体転移を調べた結果、転移よりも高温の金属相において分子が揺らいでいる液晶状態を示唆する結果を得ました。この液晶相は当初本研究で対象として想定していたスピンネマティック相とは異なる量子液晶状態であり、どのような電気、磁気、熱的性質を持つのかに興味がもたれます。さらに、Ba2MgReO6におけるスピンネマティック相とこの量子液晶相を比較することで、量子液晶に共通する性質などが明らかになると期待されます。このように、当初の計画通りに順調に研究が進められています。

Strategy for Future Research Activity

2022年度のBa2MgReO6に対する圧力実験によって、圧力の印加でスピンネマティック相が抑制されることが明らかになりました。この振る舞いはMgサイトによりイオン半径の大きな2価のイオンを置換した時の化学圧力効果と同様の振る舞いです。圧力実験では、相が切り替わる圧力が4万気圧程度と高圧だったため、詳細な検証が困難でした。今後、化学置換によって、ちょうどスピンネマティック相が完全に抑制される状態を常圧で実現し、境界付近の振る舞いや、臨界現象などを明らかにします。
これまでの研究で、5d1の電子配置をもつ物質については、どのような領域でスピンネマティック相が出現するかが明らかになりつつあるので、今後5d2の電子配置をもつ物質へと領域を拡げます。具体的な物質としてはBa2YReO6やBa2LuReO6がありますが、過去の物性報告では研究グループによって異なる実験結果が報告されており、合成条件によって物性が変化している可能性があります。詳細な結晶構造解析、組成分析を行い、結晶構造と物性の相関を確立していきたいと思います。
2022年度に新たに発見した、RuPにおける量子液晶状態についてもその物性について詳しい測定を行います。電気抵抗率、磁化率、熱伝導度測定により、電気的・磁気的・熱的性質を明らかにします。さらに、圧力下の電気抵抗率、X線回折実験を行い圧力に対する応答も調べます。以上から、新たに見つかった量子液晶状態の性質を明らかにし、スピンネマティック相との共通点や相違点を明らかにすることを目指します。

  • Research Products

    (32 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 1 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)

    • Country Name
      CANADA
    • Counterpart Institution
      University of Toronto
  • [Int'l Joint Research] EPFL(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      EPFL
  • [Journal Article] Electronic states of metallic electric toroidal quadrupole order in Cd2Re2O7 determined by combining quantum oscillations and electronic structure calculations2022

    • Author(s)
      Hirose Hishiro T.、Terashima Taichi、Hirai Daigorou、Matsubayashi Yasuhito、Kikugawa Naoki、Graf David、Sugii Kaori、Sugiura Shiori、Hiroi Zenji、Uji Shinya
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 035116-1~19

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.035116

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Characterization of the charge transfer luminescence of the [WO6]6- octahedron in Ca3WO6 and the [WO5]4- square pyramid in Ca3WO5Cl22022

    • Author(s)
      Kitagawa Yuuki、Takemura Shota、Hirai Daigorou、Hiroi Zenji、Ueda Jumpei、Tanabe Setsuhisa
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Pages: 24203~24211

    • DOI

      10.1039/d2cp02753d

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dimensional reduction and incommensurate dynamic correlations in the S = 1/2 triangular-lattice antiferromagnet Ca3ReO5Cl22022

    • Author(s)
      Zvyagin S. A.、Ponomaryov A. N.、Wosnitza J.、Hirai D.、Hiroi Z.、Gen M.、Kohama Y.、Matsuo A.、Matsuda Y. H.、Kindo K.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 6310-1~6

    • DOI

      10.1038/s41467-022-33992-5

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Anisotropic magnetic phase diagram of geometrically frustrated iridate Ca5Ir3O122022

    • Author(s)
      Hanate Hiroki、Hirai Daigorou、Hiroi Zenji、Matsuhira Kazuyuki
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 564 Pages: 170072~170072

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2022.170072

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Linear Trimer Molecule Formation by Three-Center?Four-Electron Bonding in a Crystalline Solid RuP2022

    • Author(s)
      Hirai Daigorou、Kojima Keita、Katayama Naoyuki、Kawamura Mitsuaki、Nishio-Hamane Daisuke、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Pages: 17857~17864

    • DOI

      10.1021/jacs.2c06173

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal structure and superconductivity of NaAlSi1-xGex single crystals2022

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Ikenobe Toshiya、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2323 Pages: 012004~012004

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2323/1/012004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quadrupole Fluctuation Effect on Magnetic Torque for Hourglass Dirac Loop Chain Metal β-ReO22022

    • Author(s)
      Uji Shinya、Terashima Taichi、Hirai Daigorou、Anbai Takahito、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 084702-1~7

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.084702

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pseudogap Formation in the Nodal-Line Semimetal NaAlGe2022

    • Author(s)
      Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Oguchi Tamio、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 074801-1~6

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.074801

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pyrochlore oxide Hg2Os2O7 on verge of metal-insulator boundary2022

    • Author(s)
      Kataoka Kota、Hirai Daigorou、Koda Akihiro、Kadono Ryosuke、Honda Takashi、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of Physics: Condensed Matter

      Volume: 34 Pages: 135602~135602

    • DOI

      10.1088/1361-648X/ac4936

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fermi surface and mass enhancement in the topological nodal-line semimetal NaAlSi2022

    • Author(s)
      Uji Shinya、Konoike Takako、Hattori Yuya、Terashima Taichi、Oguchi Tamio、Yamada Takahiro、Hirai Daigorou、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 235103-1~6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.235103

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unusual Resistive Transitions in the Nodal-Line Semimetallic Superconductor NaAlSi2022

    • Author(s)
      Hirai Daigorou、Ikenobe Toshiya、Yamada Takahiro、Yamane Hisanori、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 024702-1~6

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.024702

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Interplay between Quadrupolar and Magnetic Interactions in 5d1 Double Perovskite Ba2MgReO6 under Pressure2022

    • Author(s)
      Arima Hiroto、Oshita Yoshiaki、Hirai Daigorou、Hiroi Zenji、Matsubayashi Kazuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 013702-1~4

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.013702

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dimer Crystallization Induced by Elemental Substitution in the Honeycomb Lattice of Ru1-xOsxCl32022

    • Author(s)
      Kataoka Kota、Wulferding Dirk、Yajima Takeshi、Nishio-Hamane Daisuke、Hirai Daigorou、Lee Seungyeol、Choi Kwang-Yong、Hiroi Zenji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 014801-1~11

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.014801

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electronic Properties of Pyrochlore-Type Ca2Ir2O72022

    • Author(s)
      Nakayama Yuki、Okamoto Yoshihiko、Hirai Daigorou、Takenaka Koshi
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 125002-1~2

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.125002

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ノード鎖金属β-ReO2の量子振動による電子構造の解明2023

    • Author(s)
      平井大悟郎, 安倍崇仁, 鴻池貴子, 寺嶋太一, 宇治進也, 石川孟, 金道浩一, 片山尚幸, 小口多美夫, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] ノーダルライン半金属候補物質IrO2の電子状態の解明2023

    • Author(s)
      丸山寛太, 平井大悟郎, 中村優斗, 岸田英夫, 竹端寛治, 今中康貴, 竹中康司
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] スピン軌道結合絶縁体Ba2MgReO6における磁場効果2023

    • Author(s)
      室井利彦, 平井大悟郎, 佐賀山基, 有馬孝尚, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] Pleochroism of the 5d oxychloride Ca3ReO5Cl2 ― a unique optical property of the mixed-anion compound2022

    • Author(s)
      Daigorou Hirai
    • Organizer
      2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] RuPの金属絶縁体転移における直線三量体分子軌道形成2022

    • Author(s)
      平井 大悟郎
    • Organizer
      1000テスラ超強磁場科学の開拓
    • Invited
  • [Presentation] Fermi Surface and Topological Surface Superconductivity in Nodal Line Semimetal NaAlSi2022

    • Author(s)
      Shinya Uji, Takako Konoike, Yuya Hattori, Taichi Terashima, Tamio Oguchi, Takahiro Yamada, Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Possible Surface Superconductivity in the Nodal-Line Semimetallic Superconductor NaAlSi2022

    • Author(s)
      Toshiya Ikenobe, Daigorou Hirai, Takahiro Yamada, Hisanori Yamane, and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Domain Control by Magnetic Field in the 5d1 Double Perovskite Ba2MgReO62022

    • Author(s)
      Toshihiko Muroi, Daigorou Hirai, Hajime Sagayama, Taka-hisa Arima and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dynamical Elastic Response of Lattice Instability in Cd2Re2O72022

    • Author(s)
      Yoshito Mikami, Tatsuya Yanagisawa, Ruo Hibino, Masato Matsuda, Hiroyuki Hidaka, Hiroshi Amitsuka, Daigorou Hirai, and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Successive Phase Transitions of the Spin-Orbit-Coupled Metal Cd2Re2O7 Probed by High-Resolution Synchrotron X-Ray Diffraction2022

    • Author(s)
      Daigorou Hirai, Atsuhito Fukui, Hajime Sagayama, Takumi Hasegawa, and Zenji Hiroi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ルチル型酸化物RuO2における巨大磁気抵抗効果とフェルミ面2022

    • Author(s)
      室井利彦, 平井大悟郎, 鴻池貴子, 服部裕也, 寺嶋太一, 宇治進也, 河村光晶, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] RuPの金属絶縁体転移における直線三量体分子軌道形成2022

    • Author(s)
      平井大悟郎, 小島慶太, 片山尚幸, 河村光晶, 浜根大輔, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 量体化系RuPの高温相における局所三量体の発達2022

    • Author(s)
      横田陽之, 小島慶太, 片山尚幸, 平井大悟郎, , 廣井善二, 澤博
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 5d1ダブルペロブスカイト型化合物Ba2MgReO6の磁場によるドメイン整列2022

    • Author(s)
      室井利彦, 平井大悟郎, 佐賀山基, 有馬孝尚, 広井善二
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 水熱合成法によるパイロクロア関連構造をもつ5d遷移金属酸化物の合成と物性2022

    • Author(s)
      中山祐樹, 岡本佳比古, 平井大悟郎, 竹中康司
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] Magnetic field effects on structural domains and magnetism in double perovskite Ba2MgReO62022

    • Author(s)
      Toshihiko Muroi, Daigorou Hirai, Hajime Sagayama, Taka-hisa Arima and Zenji Hiroi
    • Organizer
      2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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