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Frustration-induced spin textures

Research Project

Project/Area Number 17H06137
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Research Field Condensed matter physics II
Research InstitutionToyota Physical and Chemical Research Institute (2020)
Osaka University (2017-2019)

Principal Investigator

川村 光  公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (30153018)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 青山 和司  大阪大学, 理学研究科, 助教 (00623133)
富安 啓輔  株式会社日産アーク(マテリアル解析部、デバイス機能解析部), マテリアル解析部、デバイス機能解析部, 主任研究員 (20350481)
鳴海 康雄  大阪大学, 理学研究科, 准教授 (50360615)
高阪 勇輔  大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60406832)
南部 雄亮  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60579803)
石渡 晋太郎  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00525355)
Project Period (FY) 2017-05-31 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥214,890,000 (Direct Cost: ¥165,300,000、Indirect Cost: ¥49,590,000)
Fiscal Year 2020: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2019: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000)
Fiscal Year 2018: ¥39,130,000 (Direct Cost: ¥30,100,000、Indirect Cost: ¥9,030,000)
Fiscal Year 2017: ¥116,480,000 (Direct Cost: ¥89,600,000、Indirect Cost: ¥26,880,000)
Keywordsフラストレーション / スピンテクスチャ / トポロジカル励起 / スカーミオン / Z2渦 / カイラリティ / Z2渦
Outline of Annual Research Achievements

Z2渦候補物質として、2つの3角格子磁性体NiGa2S4とNaCrO2に注力した研究を行った。NiGa2S4では、偏極中性子散乱によりスピンの異方性がT* = 8.5 Kで増大する臨界的異常を示すことが分かっている。30年度には、理論・シミュレーションとの比較により、この異常がZ2渦機構で説明できることを明らかにした。現在、実験と理論の結果をまとめた論文作成を進めている。また誘電率測定により、T*直下でhump的な異常を新たに見出した。NaCrO2では、良質な粉末試料の大量合成法を確立し微小単結晶が合成された。磁化率、放射光共鳴X線回折の観測を行うとともに、中性子への展開を開始した。理論面からは、3角格子反強磁性ハイゼンベルグモデルにおいて、スピン伝導率がZ2渦転移温度で発散的異常を示すことを見出し、KT転移系との比較などを通し、トポロジカル転移とスピン伝導の相関に関する知見を得た。
対称的スカーミオン格子候補物質として強磁場中NiGa2S4と3角格子金属磁性体EuCuSbに注力した研究を行った。NiGa2S4の強磁場磁気相図を完成させるべく、強磁場磁化、比熱、磁気分光測定を行った。EuCuSbでは、磁気輸送特性を測定した結果、巨大なトポロジカルホール効果が観測され、トポロジカルな磁気構造の発現が示唆された。また、関連するフラストレーション磁性体MnSc2S4、Mn(OH)2などの強磁場磁化測定を行い、多段の磁場誘起相転移の存在を確認した。
3角格子以外の系も視野に入れているが、30年度は次近接相互作用でフラストレートしたハニカム格子系に対する理論計算・数値シミュレーションを進め、磁場中で「メロン/反メロン格子」「ripple」状態等の新奇なスピンテクスチャーと磁気秩序相を理論的に見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

30年度途中より、高阪勇輔氏(岡山大異分野基礎科学研)、石渡晋太郎氏、高橋英史氏(東大工)の3名の方に研究協力者として本基盤研究Sに新たに参画頂いた。高阪氏については、本研究の進展に伴い重要性が一段と増した絶縁体化合物の単結晶育成を、石渡、高橋両氏には、対称的スカーミオンやヘッジホッグの候補物質の幅を広げる意味で希土類金属磁性体等の結晶育成や輸送測定を担当頂く。前年度にも増して強力な研究体制が組めたものと思う。Z2渦、対称的スカーミオンとも、当初予定してた候補物質については順調に試料合成や物性測定が進行しており、中性子散乱、X線磁気共鳴散乱についても本測定に向けて準備が進んでいる。合わせて、新たな研究協力者の参画を得て新規候補物質の探索も進めている。理論、数値シミュレーション面でも、実験との密接な協力により、新たな展開を見せつつある。全体として、大変順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

31年度は、Z2渦関連では、既に申請が採択されているOak RidgeおよびJ-PARCでの中性子散乱測定を進める。NiGa2S4に関しては、Scharpf式を用いた高度な偏極解析を行い、磁性信号のみの取り出しを幅広い(Q,ω)領域で行う。NaCrO2については、非偏極での準弾性散乱を行うとともに、合わせて共鳴X線回折の測定も進める。これらを通して、Z2渦の直接的証拠を得ることを目指す。またスピンゼーベック効果の測定を行い、30年度の理論計算の予言の検証を行う。
対称的スカーミオン格子関連では、物質探索、強磁場物性測定、磁気構造を決定するための中性子測定を進める。EuCuSbについては、30年度に観測されたトポロジカルホール効果の起源を探るため、中性子による磁気構造の決定を行う。より広範な候補物質から金属磁性体スカーミオン格子系の物質探索を進め、順次、磁気測定、強磁場物性測定、中性子回折を行う。強磁場関連では、50T横磁場中性子回折装置を完成させ、予備実験として磁気光学測定を予定している。また、スカーミオン格子/反スカーミオン格子等のドメインの観測、制御を視野に,共鳴X線回折を用いた研究を進める。
3角格子系以外のスピンテクスチャ―探索も理論、実験両面から順次進めて行く。ハニカム格子系のような2次元系にもならず、パイロクロア系、立方晶ペロブスカイト等の3次元物質について研究を進めたい。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report

Research Products

(115 results)

All 2019 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research Journal Article Presentation Remarks

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    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Pages: 064430-064430

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.064430

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    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 88 Issue: 1 Pages: 013703-013703

    • DOI

      10.7566/jpsj.88.013703

    • NAID

      210000135062

    • ISSN
      0031-9015, 1347-4073
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      Aoyama Kazushi、Kawamura Hikaru
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      Volume: 99 Pages: 144406-144406

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.144406

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    • Journal Title

      Applied Sciences

      Volume: 9 Pages: 525-525

    • DOI

      10.3390/app9030525

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      波紋

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    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 122 Pages: 017204-017204

    • DOI

      10.1103/physrevlett.122.017204

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      Volume: 122

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      10.1103/physrevlett.122.057206

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      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 134427-134427

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.134427

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      Materials

      Volume: 11 Pages: 2115-2115

    • DOI

      10.3390/ma11112115

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    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.121113

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      K. Tomiyasu, R. Oishi-Tomiyasu, M. Matsuda, and K. Matsuhira
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      Volume: 8 Pages: 16228-16228

    • DOI

      10.1038/s41598-018-34443-2

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      K. Tomiyasu, N. Ito, R. Okazaki, Y. Takahashi, M. Onodera, K. Iwasa, T. Nojima, T. Aoyama, K. Ohgushi, Y. Ishikawa, T. Kamiyama, S. Ohira-Kawamura, M. Kofu and S. Ishihara
    • Journal Title

      Advanced Quantum Technologies

      Volume: 2018 Pages: 1800057-1800057

    • DOI

      10.1002/qute.201800057

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    • Author(s)
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      JPS Conf. Proc.

      Volume: 21 Pages: 11007-11007

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      Ru-Pan Wang, Atsushi Hariki, Andrii Sotnikov, Federica Frati, Jun Okamoto, Hsiao-Yu Huang, Amol Singh, Di-Jing Huang, Keisuke Tomiyasu, Chao-Hung Du, Jan Kune?, and Frank M. F. de Groot
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 35149-35149

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.035149

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    • Author(s)
      Kazuya Suyama, Kazuaki Iwasa, Yuka Otomo, Keisuke Tomiyasu, Hajime Sagayama, Ryoko Sagayama, Hironori Nakao, Reiji Kumai, Yoshinori Kitajima, Fran?oise Damay, Jean-Michel Mignot, Akira Yamada, Tatsuma D. Matsuda, and Yuji Aoki
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 97 Pages: 231538-231538

    • DOI

      10.1103/physrevb.97.235138

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    • Author(s)
      F. Hajjaj, T. Kajitani, H. Ohsumi, Y. Tanaka, K. Kato, M. Takata, H. Kitazawa, T.-h. Arima, T. Aida, T. Fukushima
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 9 Pages: 4431-4431

    • DOI

      10.1038/s41467-018-06976-7

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      Structural Dynamics

      Volume: 5 Pages: 064501-064501

    • DOI

      10.1063/1.5063530

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    • Journal Title

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      Volume: 98 Pages: 134415-134415

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      Volume: 60 Issue: 4 Pages: 177-184

    • DOI

      10.5940/jcrsj.60.177

    • NAID

      130007472776

    • ISSN
      0369-4585, 1884-5576
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      髙阪勇輔
    • Journal Title

      Journal of the Crystallographic Society of Japan

      Volume: 60 Issue: 4 Pages: 185-190

    • DOI

      10.5940/jcrsj.60.185

    • NAID

      130007472781

    • ISSN
      0369-4585, 1884-5576
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    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 144407-144407

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.144407

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    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW LETTERS

      Volume: 120 Pages: 77201-77201

    • DOI

      10.1103/physrevlett.120.077201

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      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 85 Issue: 11 Pages: 113702-113702

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      10.7566/jpsj.85.113702

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      K. Uematsu and H. Kawamura
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      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 86 Issue: 4 Pages: 044704-044704

    • DOI

      10.7566/jpsj.86.044704

    • NAID

      210000134339

    • ISSN
      0031-9015, 1347-4073
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      10.1088/1742-6596/828/1/012004

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      T. Ino, M. Ohkawara, K. Ohoyama, T. Yokoo, S. Itoh, Y. Nambu, M. Fujita, H. Kira, H. Hayashida, K. Hiroi, K. Sakai, T. Oku, and K. Kakurai
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 862

    • DOI

      10.1088/1742-6596/862/1/012011

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      K. Tomiyasu, J. Okamoto, H. Y. Huang, Z. Y. Chen, E. P. Sinaga, W. B. Wu, Y. Y. Chu, A. Singh, R.-P. Wang, F. M. F. de Groot, A. Chainani, S. Ishihara, C. T. Chen, and D. J. Huang
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 119

    • DOI

      10.1103/physrevlett.119.196402

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      Tomiyasu Keisuke、Sato Mika、Koyama Shun-Ichi、Nojima Tsutomu、Kajimoto Ryoichi、Ji Sungdae、Iwasa Kazuaki
    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 86 Issue: 9 Pages: 094706-094706

    • DOI

      10.7566/jpsj.86.094706

    • NAID

      210000134508

    • ISSN
      0031-9015, 1347-4073
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      H. Ishibashi, S. Shimono, K. Tomiyasu, S. Lee, S. Kawaguchi, H. Iwane, H. Nakao, S. Torii, T. Kamiyama, and Y. Kubota
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 96 Pages: 144424-144424

    • DOI

      10.1103/physrevb.96.144424

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      H. Kawamura
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      H.Kawamura and K. Uematsu
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      9th International Conference on Highly Frustrated Magnetism (HFM 2018)
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      K. Uematsu and H. Kawamura
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      上松和樹、川村光
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      厳正輝, 中村大輔, 岡本佳比古, 青山和司, 川村光, 小濱芳允, 嶽山正二郎
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      南部雄亮
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      Yasuo Narumi, Tetsuya Nakamura, Hidekazu Ikeno, Noriki Terada, Takayuki Morioka, Kota Saito, Hideaki Kitazawa, Koichi Kindo, and Hiroyuki Nojiri
    • Organizer
      The 12th International Conference on Research in High Magnetic Fields
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      K. Sato, Y. Narumi, T. Kida, Y. Nambu, and M. Hagiwara
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      Tetsuya Nakamura , Yasuo Narumi, Hiromasa Yasumura, Yoshinori Kotani, Kentaro Toyoki, David Billington, Toko Hirono, Koichi Kindo, Satoshi Hirosawa, and Hiroyuki Nojiri
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      The 13th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation
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      楠佳也, 土田稜, 松山友樹, 野口悟, 鳴海康雄, 萩原政幸, 金道浩一
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      the 6th International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM 2018)
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      川村光
    • Organizer
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      幸城秀彦、川村光
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    • Organizer
      2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] フラストレートスピン1/2ラダーRb2Cu2Mo3O12に現れるスピン1ハルデンギャップと強誘電性2018

    • Author(s)
      上田宏, 小野田繁樹, 山口泰弘, 木村剛, 吉澤大智, 森岡俊晶, 萩原政幸, 萩原雅人, 左右田稔, 益田隆嗣, 榊原俊郎, 富安啓輔, 河村聖子, 中島健次, 梶本亮一, 中村充孝, 稲村泰弘, 長谷正司, 安井幸夫
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ペロブスカイト型酸化物LaCoO3とLa(Co0.99Ni0.01)O3の弾性異常2018

    • Author(s)
      岡田竜一, 渡辺忠孝, 富安啓輔
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] LaCoO3の単結晶非弾性中性子散乱研究2018

    • Author(s)
      富安啓輔, 小林義彦, 古府麻衣子, 川村聖子, 石原純夫
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] “Quantum spin liquid induced by frustration and randomness ”2017

    • Author(s)
      Hikaru Kawamura,
    • Organizer
      Junjiro Kanamori Memorial International Symposium-New Horizon of Magnetism-”
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      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] “J1-J2 古典ハニカム格子ハイゼンベルグ反強磁性体に現れる多重q秩序状態”2017

    • Author(s)
      下川統久朗、川村光
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] “パイロクロア格子上の量子ハイゼンベルグ反強磁性体におけるランダムネスの効果”2017

    • Author(s)
      上松和樹、川村光:
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] “ブリージングパイロクロア反強磁体における局所格子歪みと磁場効果”2017

    • Author(s)
      青山和司、川村光
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 先端強磁場計測とスカーミオン格子の探索2017

    • Author(s)
      鳴海康雄
    • Organizer
      International workshop Frontiers in Strongly Correlated Electron System
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 三角格子反強磁性体NiGa2S4 のパルス強磁場下熱測定2017

    • Author(s)
      佐藤和樹, 鳴海康雄, 小濱芳允, 南部雄亮, 金道浩一, 萩原政幸
    • Organizer
      強磁場研究会「強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端」
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Magnetic dynamics in the iron-based ladder compound BaFe2Se32017

    • Author(s)
      Y. Nambu, K.M. Suzuki, H. Okabe, A. Koda, R. Kadono, S. Imaizumi, K. Hashizume, T. Aoyama, Y. Imai, and K. Ohgushi
    • Organizer
      The 14th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dynamical magnetism in the iron-based ladder compound BaFe2Se3 through multi-probe techniques2017

    • Author(s)
      Y. Nambu, K.M. Suzuki, S. Imaizumi, K. Hashizume, T. Aoyama, Y. Imai, and K. Ohgushi
    • Organizer
      28th International Conference on Low Temperature Physics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 中性子とミュオンでみた鉄系梯子型物質BaFe2Se3の動的磁性2017

    • Author(s)
      南部雄亮、鈴木謙介、羽合孝文、長尾道弘、横尾哲也、伊藤晋一、岡部博孝、幸田章宏、門野良典、今泉聖司、橋詰和樹、青山拓也、今井良宗、大串研也
    • Organizer
      日本物理学会 2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 複合アニオン研究に中性子が貢献できること2017

    • Author(s)
      南部雄亮
    • Organizer
      第7回CSJ化学フェスタ2017
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    • Invited
  • [Presentation] 中性子を用いた複合アニオン化合物の磁性研究2017

    • Author(s)
      南部雄亮
    • Organizer
      日本磁気学会第215回研究会/第61回化合物新磁性材料専門研究会
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    • Invited
  • [Presentation] 研究用原子炉JRR-3の粉末回折計HERMESの現状と結晶・磁気構造解析2017

    • Author(s)
      南部雄亮、大河原学、池田陽一、鈴木謙介、藤田全基
    • Organizer
      第133回金属材料研究所講演会
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  • [Presentation] JRR-3に設置された粉末回折計HERMESの現状2017

    • Author(s)
      南部雄亮、大河原学、池田陽一、鈴木謙介、藤田全基
    • Organizer
      日本中性子科学会第17回年会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Sc置換LaCoO3における磁化と体積磁歪 スピン状態転移近傍に現れる励起子絶縁体の候補物質としての検討2017

    • Author(s)
      富安啓輔, 伊藤菜緒子, 岡崎竜二, 高橋佑生, 岩佐和晃, 野島勉, 青山拓也, 石原純夫, 大串研也
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 元素置換したLuCoO3の磁性と電気伝導2017

    • Author(s)
      長内一将, 富安啓輔, 大串研也
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 超高分解能粉末中性子回折によるスピネルCuCr2O4の磁気構造2017

    • Author(s)
      富安啓輔, Sanghyun Lee, 石橋広記, 高橋佑生, 鳥居周輝, 神山崇
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ペロブスカイト型酸化物LaCoO3とLa(Co1-xNix)O3の弾性異常2017

    • Author(s)
      岡田竜一, 渡辺忠孝, 富安啓輔
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Remarks] 特別インタビュー物理の「美しさ」に導かれて(東北大学 南部雄亮)

    • URL

      http://www.imr.tohoku.ac.jp/kinken-mapping/00-201707.html

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      2017 Annual Research Report

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Published: 2017-06-01   Modified: 2020-08-26  

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