| Project Area | Unveiling, Design, and Development of Asymmetric Quantum Matters |
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| Project/Area Number |
23H04870
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大原 繁男 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60262953)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 達磨 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (30370472)
鬼丸 孝博 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (50444708)
小林 夏野 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60424090)
清水 悠晴 東京大学, 物性研究所, 助教 (90751115)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥187,720,000 (Direct Cost: ¥144,400,000、Indirect Cost: ¥43,320,000)
Fiscal Year 2026: ¥31,460,000 (Direct Cost: ¥24,200,000、Indirect Cost: ¥7,260,000)
Fiscal Year 2025: ¥37,700,000 (Direct Cost: ¥29,000,000、Indirect Cost: ¥8,700,000)
Fiscal Year 2024: ¥35,620,000 (Direct Cost: ¥27,400,000、Indirect Cost: ¥8,220,000)
Fiscal Year 2023: ¥50,310,000 (Direct Cost: ¥38,700,000、Indirect Cost: ¥11,610,000)
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| Keywords | アシンメトリ量子 / 反転対称性の破れ / カイラリティ / 多極子秩序 / スピン軌道結合 / 結晶合成 / 拡張多極子 / ウラン化合物 / ファン・デア・ワールス物質 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、典型的なアシンメトリ量子物質を物質系として創出して、系統的な研究から、その機能の理解と制御を深化させる。従来のエレクトロニクスは空間反転対称性が破れていない物質に対して築かれてきた。その視点を転換し、結晶構造における対称性の破れに起因する電子状態を記述し、その機能を予測するアシンメトロニクスという理工学分野の新概念を構築する。
そのために本研究では、原子から原子クラスターサイズの電子の電荷・スピン・軌道の複合自由度、アシンメトリ量子、を持つ物質系を合成する。非対称性と機能物性が強く紐付けられた物質系を開発し、新たな機能開拓のための新機軸を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は「アシンメトリ量子」における典型物質を合成と物性測定をすすめている．2024年度は，研究成果を32件の刊行論文と60件以上の国内外での講演として公表した．
主な成果は，１）新たなカイラル結晶の合成と元素置換による物性制御を進めた．カイラルらせん磁性に対する元素置換効果については国際会議での招待講演に至った．解説記事を執筆し，カイラルな結晶や磁性について広く発信した．２）反転中心をもたない正方晶系や立方晶系の物質について，光電子分光や量子振動を用いたフェルミ面観測を進めて電子構造の報告を行った．３）立方晶系での多極子秩序を報告し，公表論文のうち3本が掲載誌により注目論文に選ばれた．プラセオジム化合物の四極子秩序を初めて観測し，その影響を受ける磁気相図や伝導電子との混成効果の研究に発展させた．４）ジグザグ鎖をもつ物質について単結晶化も含めていくつかの新物質合成に至った．直方晶のYb化合物における結晶異方性とジグザグ構造に起因した特異な磁気秩序状態については，3件の招待講演に至った．カゴメ構造を持つ物質を協働的に開発するために研究会（2024年8月富山）を開催し合成戦略を立てた．５）擬カゴメ構造をもつウラン化合物について研究が進み，カイラル四極子秩序をはじめ，その物性について中性子散乱，微細加工試料による精密測定，元素置換効果，圧力効果，理論計算との共同研究が進められた．非自明な量子相の研究として注目され，4件の招待講演を行った．６）ミスフィット積層カルコゲナイドにおいて絶縁層と超伝導層の積層制御により現れる新しい超伝導状態を2件の招待講演（内１件は国際シンポジウム）で発表した．
「アシンメトリ量子」の他の計画研究との共同研究は順調にその数を増している．設備備品は計画通りに高圧合成装置を放射線管理区域内（大洗）に設置した．2025年度内にはウラン化合物の合成を始める．
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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
年度当初の計画に従い，新しいカイラル結晶の開発（大原，松田），四極子秩序を示す立方晶系の物質開発（鬼丸），局所的に反転対称性の破れた構造を有する結晶の合成（大原、鬼丸），ウラン化合物におけるアシンメトリ量子物質の開拓（清水），ポリタイプおよびミスフィットカルコゲナイド合成（小林）を進めており，物質合成は順調に進んで成果が得られている．注目論文や招待講演に採択されており，研究の水準が高く，関心が持たれていることも明らかである．他の計画研究との協働を進めるために２度の研究会を共催して情報交換も行った．アウトリーチ活動として高校生を対象とした講演も活発に行ってきた．他の計画研究との共同研究も順調に増加している．ただし，微細加工試料を用いた非相反現象の観測や電気磁気効果の精密測定および理論との共同研究はさらに加速させる必要がある．互いの物質合成に関してのスキルや情報の交換についてもさらに活性化することが望まれる．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を取りまとめて公表することに注力する．具体例として，カイラル物質についてはその物性制御と電子状態の直接観測について取りまとめる段階にある．また，物質設計にもとづいた結晶合成を進める．これらの推進のために，理論との連携を深める必要があることから，理論の計画研究との意見情報交換の機会を企画して研究会等を開催する．
合成に至ったジグザグや擬カゴメ構造を持つ新物質，あるいは，立方晶系の多極子秩序では，関連した物性の観測と元素置換による物性制御の研究を進める．特に対称性が高い立方晶系における多極子秩序において生じる非自明な物性について解明する．全軌道角運動量がゼロとなる電子配置であるユウロピウムやガドリニウムの化合物に注目し，新しい磁気的なトポロジカル相の発見とその物理の解明に着手する．これらのためには，中性子散乱や放射光を用いた特異な磁気構造や電子状態の観測が必要であり共同研究を推進する．
擬カゴメ構造を有するウラン化合物については「アシンメトリ量子」における典型物質と位置づけ，高い質の単結晶合成とともに，圧力効果，元素置換効果，中性子散乱，共鳴Ｘ線散乱，高精度電流磁気効果，核磁気共鳴，超音波測定などの共同研究を進める．適宜，成果を取りまとめるとともに，対称性の観点にもとづいて物性の全体像を明らかとする．最終的には理論とも協働して非対称性の新しい物理をまとめることをめざす．
整備した電源，スパッタ装置，実体顕微鏡，マニュピレータはすでに活用している．共同利用の微細加工装置も導入されたことから，これにより非相反現象や電場（電流）誘起現象の精密な観測を増加させる．MER法成膜装置については本格的な稼働を行う．昨年度放射線管理区域内（大洗）に設置した高圧合成装置については許認可を経て，ウラン化合物の高圧合成を開始する．これによりウラン化合物合成環境を高圧力下へと拡大する．
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