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フラストレート磁性体における新奇基底状態の解明-スピン液体と磁化ステップ現象-

研究課題

研究課題/領域番号 10J10454
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 物性Ⅱ(磁性・金属・低温)(実験)
研究機関独立行政法人物質・材料研究機構

研究代表者

吉田 紘行  独立行政法人物質・材料研究機構, 超伝導物性ユニット, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2010 – 2012
研究課題ステータス 完了 (2012年度)
配分額 *注記
2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
2012年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2011年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2010年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードS=1/2カゴメ格子反強磁性体 / volborthite / 軌道スイッチ / β-vesignieite / フラストレーション / 磁化ステップ / 逐次磁気転移 / カゴメ格子反強磁性体 / 単結晶 / 幾何学的フラストレーション
研究概要

昨年度から引き続きS=1/2カゴメ格子反強磁性体volborthite, Cu_3V_2O_7(OH)_2・2H_2Oの基底状態、及び磁化ステップ現象を解明するための研究を行った。昨年度までにvolborthiteの単結晶合成に成功し、詳細な単結晶X線構造解析を行った結果、Cu^<2+>イオンのd_<3z2-r2>軌道が室温付近(T=310K)においてd_<x2-y2>世界で初めて軌道スイッチ現象を発見した。本年度(平成24年度)では、これまでに得られた、構造、軌道、磁性の結果を論文へまとめ、その論文はNature Communications誌へ掲載され、大きな注目を集めた。
volbonhiteの基底状態の解明に加えて、より多様な物質において、にカゴメ格子反強磁性体の基底状態を解明するため、新物質を合成し、その物性解明に取り組んだ。本年度では、昨年度から引き続き理想的なS=1/2カゴメ格子反強磁性体であるβ-vesignieite, BaCu_3V_2O_8(OH)_2の基底状態解明に取り組んだ。その結果、本物質では、T_N=9Kの弱強磁性を伴う反強磁性秩序が生じる事を見出した。また、カゴメ格子の理論モデルとの比較を行った結果、本物質における磁気秩序が、カゴメ格子上のDM相互作用に起因するものである事を明らかにし、これらの成果を論文へまとめ、Journal of the Materials Chemistry誌に投稿し、掲載された。
更に、他の候補物質として、β-vesignieiteのCuサイトをNiで全置換した新物質の合成に成功し、詳細な粉末X線構造解析により、構造を決定した。また、磁気測定から、逐次的磁気相転移が生じる事を明らかにした。
カゴメ格子反強磁性体においては、非常に物質例が少ない事から、実験的研究があまり進展していないという困難があったが、以上の成果は、カゴメ格子における物質の多様性をもたらし、より普遍的にカゴメ格子反強磁性体の磁性を理解する事を可能とした。また、以上の物質において観測された様々な磁性現象は、特異であり、今後のフラストレート磁性の研究において、重要な例をなすものであると期待される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究においては、volborthiteの単結晶育成に成功したことにより、基底状態における逐次磁気相転移や、軌道スイッチング現象など、特異な磁性や軌道の変換現象を発見することに成功した。以上の成果は、これまでに計画していた以上に本物質の理解を進めたと考えられるものである。

今後の研究の推進方策

本研究により発見された軌道スイッチング現象は室温で電子軌道が劇的に変化する現象である。今後は本現象を外場等により制御する事が重要であり、それにより、室温で動作する素子としての機能を有する事が可能となると期待される。具体的には、磁場や電場の印加による軌道状態の変化を調べる事が、最も有効な方針であると考えられる。実験には、より高品質で大きな単結晶を育成する事が必要となる。今後は、より詳細な水熱合成条件の最適化が必要となるであろう。

報告書

(3件)
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 2010 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2012 2011 2010 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件) 学会発表 (10件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] β-Vesignieite BaCu_3V_2O_8(OH)_2 : A Structurally Perfect S = 1/2 Kagome Antiferromagnet2012

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida, Y. MIchiue, E. Takayama-Muromachi, M. Isobe
    • 雑誌名

      Journal of the Materials Chemistry

      巻: 22 号: 36 ページ: 18793-18796

    • DOI

      10.1039/c2jm32250a

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Orbital Switching in a Frustrated Magnet2012

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida. J. Yamaura, M. Isobe, Y. Okamoto, G J. Nilsen, Z. Hiroi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 3 号: 1 ページ: 860-860

    • DOI

      10.1038/ncomms1875

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A novel crystal polymorph of volborthite, Cu_3V_2O_7(OH)_2・2H_2O2012

    • 著者名/発表者名
      H. Ishikawa, J. Yamaura, Y. Okamoto, H. Yoshida, G. J. Nilsen, Z.Hiroi
    • 雑誌名

      Acta Crystal lographica Section C

      巻: 68 号: 7 ページ: 141-141

    • DOI

      10.1107/s010827011202536x

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The spin dynamics in distorted kagome lattices : A comparative Raman study2012

    • 著者名/発表者名
      D.Wulferding, P.Lemmens, H.Yoshida, Y.Okamoto, Z.Hiroi
    • 雑誌名

      Journal of Physics : Condensed Matter

      巻: 24 号: 18 ページ: 185602-185602

    • DOI

      10.1088/0953-8984/24/18/185602

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Partially disordered state and spin-lattice coupling in an S=3/2 triangular lattice antiferromagnet Ag_2CrO_22012

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Matsuda, C.de la Cruz, Hiroyuki Yoshida, Masaaki Isobe, R.S.Fishman
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 85 号: 14

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.144407

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-Field Phase Diagram and Spin Structure of Volborthite Cu_3V_2O_7(OH)_2-2H_2O2012

    • 著者名/発表者名
      Makoto Yoshida, Masashi Takigawa, Steffen Kramer, Sutirtha Mukhopadhyay, Mladen Horvatic, Claude Berthier, Hiroyuki Yoshida, Yoshihiko Okamoto, Zenji Hiroi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 81 号: 2 ページ: 024703-024703

    • DOI

      10.1143/jpsj.81.024703

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel S=3/2 Triangular Antiferromagnet Ag_2CrO_2 with Metallic Conductivity2011

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Yoshida, Eiji Takayama-Muromachi, Masaaki Isobe
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 80 号: 12 ページ: 123703-123703

    • DOI

      10.1143/jpsj.80.123703

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heterogeneous spin state in the field-induced phase of volborthite as seen via ^<51>V nuclear magnetic resonance2011

    • 著者名/発表者名
      Makoto Yoshida, Masashi Takigawa, Hiroyuki Yoshida, Yoshihiko Okamoto, Zenji Hiroi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 84 号: 2

    • DOI

      10.1103/physrevb.84.020410

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetization plateaus of the spin-1/2 kagome antiferromagnets volborthite and vesignieite2011

    • 著者名/発表者名
      岡本佳比古
    • 雑誌名

      Physical Review B 誌

      巻: (印刷中)

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermodynamic Properties of the Kagome Lattice in Volborthite2010

    • 著者名/発表者名
      山下智史
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 79

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 三角格子反強磁性体Ag_2CoO_2の磁性2012

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      日本物理学会、第67回秋期大会
    • 発表場所
      神奈川県横浜市、横浜国立大学
    • 年月日
      2012-09-18
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Physical Properties of the Novel Triangular-Lattice Silver Oxides Ag_2MO_2 (M = Co, Ga, Rh)2012

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida
    • 学会等名
      The 19^<th> International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      2012-07-08
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Orbital Switching Found in Spin-1/2 Kagome Anti ferromagnet Molborthite2012

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida
    • 学会等名
      International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2012
    • 発表場所
      McMaster University, Hamilton, ON, Canada
    • 年月日
      2012-06-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Structurally perfect kagome anti ferromagnets BaM_3V_2O_8(OH)_2 (M = Ni, Cu)2012

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida
    • 学会等名
      International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2012
    • 発表場所
      McMaster University, Hamilton, ON, Canada
    • 年月日
      2012-06-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] S=1/2カゴメ格子反強磁性体BaCu_3V_2O_8(OH)_2(β-vesignieite)の構造と磁性2012

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      西宮市、関西学院大学、西宮上ヶ原キャンパス
    • 年月日
      2012-03-25
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] S=1/2カゴメ格子反強磁性体volborthite単結晶における物性I2011

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      富山市、富山大学、五福キャンパス
    • 年月日
      2011-09-23
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Synthesis and Magnetic Properties of Classical Triangular Antiferromagnets of Ag_2MO_2 (M=Cr, Fe)2011

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      International Conference on Frustration in Condensed Matter (ICFCM)
    • 発表場所
      仙台国際センター(宮城県)
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 古典三角格子反強磁性体Ag_2MO_2 (M=Cr, Fe)の合成と物性2010

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      第39回化合物新磁性材料専門研究会
    • 発表場所
      東京大学物性研究所(千葉県)
    • 年月日
      2010-12-15
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] S=5/2三角格子反強磁性体Ag_2Fe_O2の合成と物性2010

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      日本物理学会第65回秋期大会
    • 発表場所
      大阪府立大学(大阪府)
    • 年月日
      2010-09-25
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Magnetic properties of novel classical triangular antiferromagnets Ag_2MO(M=Cr, Fe)2010

    • 著者名/発表者名
      吉田紘行
    • 学会等名
      International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2010
    • 発表場所
      Baltimore(米国)
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.nims.go.jp/news/press/2012/06/p201206150.html

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

URL: 

公開日: 2010-12-03   更新日: 2024-03-26  

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