2022 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of electronic properties of hypermaterials using a pulsed-magnetic field
Publicly Offered Research
| Project Area | Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space |
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| Project/Area Number |
22H04585
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
三宅 厚志 東京大学, 物性研究所, 助教 (10397763)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 近似結晶 / 準結晶 / パルス強磁場 / 磁化 / 磁気熱量効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、希土類原子12個が正20面体の頂点を占有するユニークな磁気クラスター構造を持つTsai型準結晶、および準結晶と同じクラスター構造が体心立方構造を形成するTsai型1/1近似結晶に対して、パルス磁石を用いた1.4 Kまでの低温、60 Tまでの強磁場領域まで磁化、磁気熱量効果の測定を行った。研究対象として、Au-Al-R (R = Tb, Tm, またはYb)物質群に着目した。Tb系近似結晶では複雑な渦巻き状の磁気構造を持つ反強磁性秩序や組成によって磁気基底状態を制御できることが知られている。7 Tまでは磁化が飽和していないことから、より強磁場領域で飽和に至る全磁化過程の解明、さらには磁場誘起相転移探索を目標とした。Tm、Yb系ではほぼ同じ組成から構成される準結晶、近似結晶が存在する。その周期性の有無をエントロピー変化として捉えることで、準周期性に隠れた自由度を明らかにすることを目指した。
パルス磁場中では磁気熱量効果によって、磁化曲線には大きな磁場履歴が観測された。そこで独自の実験手法である磁化と試料温度の同時測定を行った。Tb系近似結晶に関しては、渦巻き状の複雑な反強磁性、強磁性、スピングラスと異なった基底状態に関して系統的な研究を行った。数テスラの弱磁場領域でのメタ磁性転移的な磁化の増大は観測したが、60 Tの磁場範囲では磁化は飽和に至らず単調に増大した。また、期待した磁場誘起相転移は発見できなかったが、詳細な磁気相図を明らかにすることができた。今まで考えられていたより複雑な相図が得られ、より詳細な実験、理論的研究を促す成果となった。Tm、Ybでは今回の測定温度の1.4 K以上では無秩序状態であることを反映して、常磁性的な磁化過程を示した。全ての系で大きな磁気熱量効果を示していることから、ハイパーマテリアル物質が磁気冷凍への応用も期待できる結果を得た。
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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
本年度では、希土類原子からなる二十面体という特異な結晶構造を持つ近似結晶、準結晶を対象に磁場効果を研究した。磁場掃引速度の早いパルス磁場実験では、今回対象とした全角運動量が大きな重希土類化合物では試料温度の磁場変化、いわゆる磁気熱量効果が問題となる。その磁気熱量効果をどのように評価するかが課題であった。その問題解決として、磁化と試料温度の同時測定、つまり磁化を温度・磁場の関数として正確に評価する方法が確立できた。これは本研究のみならず、強磁場実験一般に適用できる大きな進捗と言える。この手法によって、Tb系近似結晶では、詳細な磁気相図の解明もでき、従来考えられていたものより複雑な磁気相図を持つことが分かったことが大きな成果である。さらに、基底状態がスピングラス、反強磁性、強磁性と異なる磁気相に対して、磁気相図を明らかにしたことで、この系の理解に重要な知見を得たと考えている。
今まで研究例の少なかった強磁場中での研究を展開することで、今まで見過ごされてきた磁場誘起現象を明らかにでき、領域内に磁場効果の研究の重要性を発信できたことも大きな成果である。これらの成果は、領域会議、日本物理学会など関係者が集う会議での講演に加えて、他分野研究者も参加した国際会議・ワークショップなどで招待講演を行うなど、領域内外へも精力的に情報発信ができた。さらに、参加者との議論により、研究開始当初より拡がりのある研究方向性が定まった。以上のことを踏まえて、現在まで概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までにTb系の磁気相図を明らかにすることができた。今後は本年度の結果をより発展させる実験として、（1）低温まで磁気秩序を示さないYb系、Tm系近似結晶、準結晶の磁気熱量効果を測定する。すでにヘリウム雰囲気中での測定により、磁化や磁気熱量効果に違いが観測されている。しかし、試料の温度は周りの熱浴への緩和のために、解釈が難しい。そこで、等エントロピー過程である断熱状態での磁気熱量効果を測定することで、周期性の有無が物性に与える影響、具体的には類似組成からなる準結晶、近似結晶の比較から、周期性をエントロピーの観点から議論する。これらの結果と磁気秩序を示す近似結晶との比較から、ハイパーマテリアルに潜む特異性の理解が進むことが期待できる。
次年度からの代表者の所属が変更となる。その新所属研究室の特色を活かして、（2）ハイパーマテリアル物質のフェルミ面の解明、（3）ウラン系ハイパーマテリアルの探索を推進する。
（2）ほとんどのハイパーマテリアル系は金属であるが、金属の特徴であるフェルミ面についての理解は十分ではない。近似結晶、準結晶に対して観測例のほとんどないド・ハース-ファン・アルフェン効果の測定を行い、ハイパーマテリアルの電子状態の解明を目指す。
（3）所属研究室は数少ないアクチノイドを扱える研究所に属している。ウランを含む物質を合成し、比熱・磁化・電気抵抗などマクロな物理量からウラン系ハイパーマテリアルの物性を明らかに明らかにする。
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