| 研究領域 | アシンメトリが彩る量子物質の可視化・設計・創出 |
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| 研究課題/領域番号 |
23H04867
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
田端 千紘 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究職 (60783496)
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| 研究分担者 |
岩佐 和晃 茨城大学, 原子科学研究教育センター, 教授 (00275009)
松村 武 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (00312546)
網塚 浩 北海道大学, 理学研究院, 教授 (40212576)
関山 明 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (40294160)
中尾 裕則 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (70321536)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
195,910千円 (直接経費: 150,700千円、間接経費: 45,210千円)
2025年度: 38,740千円 (直接経費: 29,800千円、間接経費: 8,940千円)
2024年度: 37,830千円 (直接経費: 29,100千円、間接経費: 8,730千円)
2023年度: 50,700千円 (直接経費: 39,000千円、間接経費: 11,700千円)
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| キーワード | 中性子散乱 / 放射光 / X線散乱 / 光電子分光 / 多極子 / アシンメトリ量子 / 中性子 / ミュオン / スケールシームレス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本計画研究は、多種多様な物性・機能の源たる電子自由度を、時空対称性に基づいてスケールシームレスに包括した複合電子自由度である「アシンメトリ量子」を、電子構造対称性の微視的観測に有効な量子ビームを駆使して可視化することを目指す研究である。X線・中性子・ミュオンビームが有する偏極 （偏光）性・エネルギー可変性を相補的に活用し、単一原子スケールの電子状態からメゾスケールの秩序構造に及ぶ幅広い空間スケールにおいて、電子秩序構造を微視的な観点から明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
時空対称性に基づいた複合電子自由度である「アシンメトリ量子」を、量子ビームを駆使して可視化することを目的とし、X線・中性子・ミュオンビームが有する偏極（偏光）性・エネルギー可変性を相補的に活用した観測研究を推進した。単一原子スケールの電子状態からメゾスケールの秩序構造に及ぶ幅広い空間スケールにおいて、電子秩序構造を微視的な観点から明らかにするため、アシンメトリ量子物質として期待される複数の化合物について中性子・放射光を用いた量子ビーム散乱実験を実施した。具体的には、（A）X線・中性子回折による結晶対称性およびクラスター構造の解析、（B）共鳴X線散乱による高次多極子・奇パリティ多極子の観測、（C）X線光電子分光による電子状態・電子構造解析、（D）X線イメージングの手法によるメゾスケール秩序の観測、の各種実験を前年度に引き続き推進した。並行して、前年度に引き続き、従来の手法では観測不可能なアシンメトリックな電子秩序状態を観測するための手法および装置の高度化を実施し、低温・磁場下等の特殊環境で実現する秩序状態を可視化する環境を整備した。これらの活動の結果、複数の化合物において、その物質が持つ各種対称性およびその破れと強く結びついた電子秩序相の微視的描像を見出すことに成功した。今後、これらの観測研究をさらに深化させるとともに、領域内のマクロ物性測定・理論解析・物質開発を担う他計画研究に得られた微視的情報を展開し、アシンメトリ量子の多角的理解へと繋げる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
前年度に引き続き、放射光X線および中性子散乱による量子ビーム利用研究を推進し、アシンメトリ量子物質における結晶・磁気構造の対称性、およびそれに伴う多極子秩序や外場応答の理解の深化に向けた成果が得られた。
Remeika相化合物Nd3Rh4Sn13ではカイラル対称構造への構造相転移と反強磁性秩序の共存を、Eu3Ir4Sn13では局所的な反転対称性の破れと部分的な磁気無秩序を含む反強磁性構造を明らかにした。CeCoIn5のZn置換系においては反強磁性秩序と重い電子系超伝導の共存現象を捉えた。多極子ドメインやメゾスケール多極子の観測を目的として初年度より高度化を進めている走査型共鳴軟X線回折装置では、集光1マイクロメートル以下の空間分解能および低温実験環境を実現した。カイラルドメイン等の観測にも成功しつつある。新規ならせん磁性を示すGdPt2Bの磁気構造や、EuIrGe3における磁気四極子を検出する共鳴X線散乱実験を行ったほか、EuRhGe3におけるDM相互作用の無効化、EuNiGe3に現れる逆ヘリシティのスキルミオンドメイン分離構造など、多彩な磁気相の研究を展開した。UPt2Si2およびThPt2Si2では、前年度に観測に成功したパリティ混成状態の微視的理解を進めるべく、共存する格子変調を結晶構造解析から詳細に明らかにした。NdTi2Al20およびNdBe13に対しては、内殻および価電子帯の光電子分光に加え、Nd 3d-4f共鳴光電子分光を用いて電子状態を詳細に解析した。NdTi2Al20では明瞭なc-f混成の兆候が観測された一方、NdBe13では局在的な電子状態が主であり、電子相関の違いを明瞭に捉えることに成功した。
これらの研究の実施に加えて、公募研究も加えたトピカルミーティングを対面で開催し、アシンメトリ量子のビーム利用研究における最新成果の共有と活発な議論を行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
2024年度に引き続き、量子ビームによるアシンメトリ量子の観測実験を推進する。共鳴X線散乱実験では、偏光解析による種々のらせん磁性の可視化に加え、遷移過程をより詳細に調べることでパリティ混成状態（アシンメトリ量子自由度）を直接観測する実験を進める。光電子分光および電子分光二色性による4f軌道の混成の観測実験を理論解析と並行して進め、局所的な軌道対称性を解明する。中性子非弾性散乱によるアシンメトリ量子のダイナミクスの観測実験にも着手する。C01、C02と協力して新たなアシンメトリ物質の候補を探索するほか、類似物性を示す同型物質について研究を拡張する。
得られたアシンメトリ量子物質の可視化データをマクロ物性測定・理論解析・物質開発を担う領域内の他計画研究に提供し、メカニズム解明・新奇なアシンメトリ量子物質の創出へと繋げる。2024年度から実施している公募研究との連携を通して、候補物質における可視化を手法横断的に実施する。
アシンメトリ量子を多角的に可視化するため、2024年度で高度化を進めた各装置の利用研究を推進する。横磁場・低温環境における偏極中性子散乱によって、従来の縦磁場配置の散乱装置では困難であったカイラル磁性や磁場誘起秩序を観測する。また、走査型共鳴軟X線回折装置に新たにフレネルゾーンプレートを導入することで、利用可能なエネルギー範囲の拡張を図る。これにより化合物の適用範囲を拡げ、領域内での利用展開を推進する。
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