量子ビームの相補利用でみるf電子系のトポロジカル磁気秩序

• 研究課題/領域番号: 20H01864
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 金子 耕士 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (30370381)
• 研究分担者: 伊藤 孝 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (10455280) ; 田端 千紘 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究職 (60783496)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
• キーワード: 中性子散乱 / 放射光実験 / muSR実験 / トポロジカル磁気秩序 / 磁気スキルミオン / muSR / 磁気スキルミオン格子 / Eu化合物 / Gd化合物 / トポロジカル秩序

研究開始時の研究の概要

トポロジカルに保護された秩序状態は，磁気スキルミオンを筆頭に優れた機能を有することから，応用も含めて注目を集めている．これまではMnSiなどのd電子系を中心に研究されてきたが，最近，EuやGd化合物などf電子系化合物でも実現することが発見された. f電子系では短周期や異方性など，d電子系にはない新奇な特徴を有し，異なる発現メカニズムも期待されることから，その特徴に注目が集まっている. 本課題ではf電子系で実現する磁気スキルミオンなどのトポロジカル磁気秩序に着目し，中性子，放射光，ミュオンの量子ビームプローブを相補的に駆使して，静的・動的の両面から，その本質に迫ることを目的とする.

研究実績の概要

本課題では、これまでMnSiなどのd電子系を中心に研究されてきた、磁気スキルミオンを代表とするトポロジカルに保護された秩序状態について、新たにf電子系でのトポロジカル磁気秩序に着目し、中性子、放射光、ミュオンの量子ビームプローブを相補的に駆使して、静的・動的の両面から、その本質に迫ることを目的としている。
本年度は新たに２つの系について着手した。この内、磁場下でトポロジカルホール効果の出現が期待されるGd化合物について、中性子散乱によりまず基底状態での磁気構造を調べた。再稼働したJRR-3での測定において、吸収が巨大ながらも磁気反射の観測に成功し、過去の報告と秩序波数が異なっていることを明らかにした。この結果により、続く磁場下での測定への足掛かりを気付くことが出来た。
軌道磁気モーメントをもつ希土類元素について、磁場誘起秩序構造および非弾性散乱によるダイナミクスの測定を行った。磁気抵抗やホール異常が観測される磁場領域において、特殊な磁気散乱パターンの出現を観測した。これは既知の磁気スキルミオンなどとは異なる磁気構造の実現を示唆している。またダイナミクスからも、新たな特徴的な励起構造をもつことを明らかにした。以上の結果から、輸送異常の要因となる新たな磁気構造の存在が期待される。
これまでに行ってきたスピン系のEu，Gdに加え、あらたに軌道磁気モーメントを持つ系へと展開が得られた点で、大きな前進が得られた。

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

本年度は、主たる実験施設であるJRR-3が順調に再稼働し、Gd化合物においても中性子散乱が実験可能となった点で進展が得られた。また新たに軌道磁気モーメントをもつ系において、抵抗異常と関連する新奇構造形成の結果が得られた点では、着実な進展が得られたと言える。JRR-3では、主たる試料環境装置であるマグネット、3Heインサートも本格稼働し、今後より一層の実験の進展も期待出来る。一方、予定していた海外施設における実験は、施設のトラブルなどで制約をうけている。

今後の研究の推進方策

最終年度である次年度も、中性子、放射光、muSRの3プローブの相補利用による研究展開を予定している。Eu系について、これまでの実験結果をまとめるとともに、今年度新たに取り組んだGd化合物、軌道磁気モーメントを有する系については、共鳴X線およびmuSRを実施することで、全体像の把握に努める。これにより、f電子系におけるトポロジカル磁気秩序について、その特徴を明らかにすることを計画している。

研究成果

• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee(米国)
• [国際共同研究] CEA Grenoble/CNRS/Institut Laue Langevin(フランス)
• [国際共同研究] MPI-CPfS/University of Frankfurt(ドイツ)
• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] CEA Grenoble/CNRS/Institut Laue Langevin(フランス)
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institut(スイス)
• [国際共同研究] Charles University(チェコ)
• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] CEA Grenoble/CNRS/Institut Laue Langevin(フランス)
• [国際共同研究] Chinese University of Hong Kong(中国)
• [国際共同研究] Charles University(チェコ)
• [雑誌論文] Magnetic ground state of YbCo2Zn20 probed by muon spin relaxation (2023)
  • 著者名/発表者名: Higemoto Wataru、Satoh Kazuhiko、Ito Takashi U、Ohishi Kazuki、Saiga Yuta、Kosaka Masashi、Matsubayashi Kazuyuki、Uwatoko Yoshiya
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 号: 1 ページ: 012039-012039
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012039
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogen-Ti³⁺ Complex as a Possible Origin of Localized Electron Behavior in Hydrogen-Irradiated SrTiO₃ (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Takashi U.
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 20 号: 3 ページ: 128-134
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-021
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2022-05-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Damped Dirac magnon in a metallic kagome; antiferromagnet FeSn (2022)
  • 著者名/発表者名: Seung-Hwan Do, Matthew B. Stone, Koji Kaneko, Ryoichi Kajimoto, Kazuya Kamazawa, Shinichi Itoh, Takatsugu Masuda, German D. Samolyuk, William R. Meier, Brian C. Sales, Hu Miao, and Andrew D. Christianson
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 号: 18 ページ: 064704-064704
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l180403
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gaps in topological magnon spectra: Intrinsic versus extrinsic effects (2022)
  • 著者名/発表者名: Do Seung-Hwan、Paddison Joseph A. M.、Sala Gabriele、Williams Travis J.、Kaneko Koji、Kuwahara Keitaro、May Andrew F.、Yan Jiaqiang、McGuire Michael A.、Stone Matthew B.、Lumsden Mark D.、Christianson Andrew D.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.l060408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phonon Softening in Lu(Pt1－xPdx)2In Close to a Zero-Temperature Structural Instability (2022)
  • 著者名/発表者名: Gruner T.、Lucas S.、Geibel C.、Kaneko K.、Tsutsui S.、Schmalzl K.、Stockert O.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 11 ページ: 115142-115142
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.115142
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cycloidal Magnetic Ordering in Noncentrosymmetric EuIrGe₃ (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsumura Takeshi、Tsukagoshi Mitsuru、Ueda Yoshihisa、Higa Nonoka、Nakao Akiko、Kaneko Koji、Kakihana Masashi、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 7 ページ: 073703-073703
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.073703
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct measurement of the evolution of magnetism and superconductivity toward the quantum critical point (2022)
  • 著者名/発表者名: Higemoto Wataru、Yokoyama Makoto、Ito Takashi U.、Suzuki Taiga、Raymond Stephane、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 号: 49
  • DOI: 10.1073/pnas.2209549119
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two-step Mott transition in Ni(S,Se)2: μSR studies and charge-spin percolation model (2022)
  • 著者名/発表者名: Q. Sheng, T. Kaneko, K. Yamakawa, Z. Guguchia, Z. Gong, G. Zhao, G. Dai, C. Jin, S. Guo, L. Fu, Y. Gu, F. Ning, Y. Cai, K. M. Kojima, J. Beare, G. M. Luke, S. Miyasaka, M. Matsuura, S.-i. Shamoto, T. U. Ito, W. Higemoto, A. Gauzzi, Y. Klein, Y. J. Uemura
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033172
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Takagi, N. Matsuyama, V. Ukleev, L. Yu, J. S. White, S. Francoual, J. R. L. Mardegan, S. Hayami, H. Saito, K. Kaneko, K. Ohishi, Y. Onuki, T. Arima, Y. Tokura, T. Nakajima, S. Seki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 1472-1472
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29131-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Charge-Density-Wave Order and Multiple Magnetic Transitions in Divalent Europium Compound EuAl4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Koji、Kawasaki Takuro、Nakamura Ai、Munakata Koji、Nakao Akiko、Hanashima Takayasu、Kiyanagi Ryoji、Ohhara Takashi、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 6 ページ: 064704-064704
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.064704
  • NAID: 40022591342
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical slowing-down and field-dependent paramagnetic fluctuations in the skyrmion host EuPtSi: μSR and NMR studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Higa N.、Ito T. U.、Yogi M.、Hattori T.、Sakai H.、Kambe S.、Guguchia Z.、Higemoto W.、Nakashima M.、Homma Y.、Nakamura A.、Honda F.、Shimizu Y.、Aoki D.、Kakihana M.、Hedo M.、Nakama T.、Onuki Y.、Tokunaga Y.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 4 ページ: 045145-045145
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.045145
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lattice dynamics in CePd2Al2 and LaPd2Al2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Dolezal Petr、Cejpek Petr、Tsutsui Satoshi、Kaneko Koji、Legut Dominik、Carva Karel、Javorsky Pavel
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 20878-20878
  • DOI: 10.1038/s41598-021-99904-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low-dimensional antiferromagnetic fluctuations in the heavy-fermion paramagnetic ladder compound UTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Knafo W.、Knebel G.、Steffens P.、Kaneko K.、Rosuel A.、Brison J.-P.、Flouquet J.、Aoki D.、Lapertot G.、Raymond S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.l100409
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Feedback of Superconductivity on the Magnetic Excitation Spectrum of UTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Raymond Stephane、Knafo William、Knebel Georg、Kaneko Koji、Brison Jean-Pascal、Flouquet Jacques、Aoki Dai、Lapertot Gerard
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 11 ページ: 113706-113706
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.113706
  • NAID: 210000159408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sm valence determination of Sm-based Intermetallics using 149Sm Mossbauer and Sm LIII-edge X-ray absorption spectroscopies (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsutsui Satoshi、Higashinaka Ryuji、Nakamura Raito、Fujiwara Kosuke、Nakamura Jin、Kobayashi Yoshio、Ito Takashi U.、Yoda Yoshitaka、Kato Kazuo、Nitta Kiyofumi、Kawamura Naomi、Mizumaki Masaichiro、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji
  • 雑誌名: Hyperfine Interactions 巻: 242 号: 1 ページ: 32-32
  • DOI: 10.1007/s10751-021-01759-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] muSR and Neutron Scattering Studied on Possible Partially-Disordered Magnetic State Coexisting with Heavy Quasiparticles in SmPt2Si2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Nakamura, Ryuji Higashinaka, Kengo Fushiya, Ryo Tsubota, Takashi U. Ito, Wataru Higemoto, Akiko Nakao, Ryoji Kiyanagi, Takashi Ohhara, Koji Kaneko, Tatsuma D. Matsuda, and Yuji Aoki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Cof. 巻: 29 ページ: 12009-12009
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.012009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nature of Structural Instabilities in Superconducting Sr3Ir4Sn13 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Koji、Cheung Yiu Wing、Hu Yajian、Imai Masaki、Tanioku Yasuaki、Kanagawa Hibiki、Murakawa Joichi、Moriyama Kodai、Zhang Wei、Lai Kwing To、Matsuda Masaaki、Yoshimura Kazuyoshi、Tsutsui Satoshi、Goh Swee Kuan
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 30 ページ: 011032-011032
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] SmAu3Al7が示す重い電子状態と共存した部分無秩序相における磁気構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 東中隆二, 北川紘章, 金子耕士, 伊藤孝, 大原高志, 田端千紘, 鬼柳亮嗣, 萩原雅人, 中尾朗子, 神戸振作, 松田達磨, 青木勇二
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] α-Mnの常圧反強磁性相の磁気構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒木新吾, 多田龍輝, 秋葉和人, 小林達生, 田端千紘, 金子耕士, 長壁豊隆
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 反強磁性体U2Pt6Al15の中性子散乱 (2023)
  • 著者名/発表者名: 太田玖吾, 渡部悠貴, 松本裕司, 田端千紘, 金子耕士, 芳賀芳範
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 放射光・中性子の相補利用によるアシンメトリ量子観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田端千紘
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic Skyrmion Lattice in Eu-based Trillium Lattice Compound EuPtX (X=Si, Ge) (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kaneko, C. Tabata, T. Takeuchi, M. D. Frontzek, M. Matsuda, K. Ohishi, T. U. Ito, K. Munakata, R. Kiyanagi, M. Kakihana, M. Hedo, T. Nakama and Y. Onuki
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] Updates on Facility and Sample Environment from JRR-3 (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kaneko
  • 学会等名: 10th International Workshop on Sample Environment
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Standard for Low Temperature Sample Environment at JAEA/JRR-3 (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kaneko, M. Hagihala, H. Yamauchi, Y. Oba, T. Kumada, M. Kubota, C. Tabata, Y. Kojima, Y. Shimojo, K. Kodama, T. Osakabe
  • 学会等名: 10th International Workshop on Sample Environment
  • 国際学会
• [学会発表] α-Mnの圧力誘起磁気秩序相 の磁気構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒木新吾, 岩本凱成, 秋葉和人, 小林達生, 宗像孝司, 長壁豊隆, 金子耕士
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 反転心を持たない磁性体EuIrGeにおけるサイクロイド型磁気構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松村武, 上田祥央, 塚越舜, 比嘉野々花, 中尾朗子, 金子耕士, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Magnetic Order in Honeycomb Layered U2Pt6Ga15 Studied by Resonant X-ray Scattering (2022)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Tabata
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] Resonant X-ray Scattering Study of 5f-electrons in uranium intermetallics (2022)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Tabata
  • 学会等名: International workshop on Microscopic Properties of Quantum Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] JRR-3 3軸分光器における偏極中性子散乱の展望 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金子耕士
  • 学会等名: 東北大学金属材料研究所ワークショップ 「二大中性子源を活用する偏極中性子スピン科学の推進」
  • 招待講演
• [学会発表] 擬カゴメ格子磁性体URhSnの共鳴X線散乱 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田端千紘, 今布咲子，日比野瑠央，中尾裕則，清水悠晴，本間佳哉, 青木大，網塚浩
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 共鳴X線散乱によるUPt2Si2の電荷密度波および反強磁性秩序状態の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今布咲子, 三浦紘大, 日比野瑠央, 日髙宏之, 柳澤達也, 田端千紘, 中尾裕則, 網塚浩
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Magnetic skyrmion lattice in 4f-based chiral magnet EuPtX (2021)
  • 著者名/発表者名: Koji Kaneko
  • 学会等名: ORNL Workshop "Polarized Neutrons for Diffraction and Inelastic Scattering"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic skyrmion lattice in cubic f-electron magnet EuPtX (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Kaneko, C. Tabata, T. Takeuchi, M. D. Frontzek, M. Matsuda, K. Ohishi, T. U. Ito, K. Munakata, R. Kiyanagi, M. Kakihana, Y. Onuki
  • 学会等名: IOP CRIM 2021: Magnetic skyrmions
  • 国際学会
• [学会発表] μ+SR as a Potential Tool for Depth-resolved Detection of Oxygen Vacancies in Perovskite Oxides (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi U. Ito
  • 学会等名: Material Research Meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Positive Muons in SrTiO3: Electronic Structure of the Hydrogen-Like Defects and Their Potential Use in Depth-Resolved Detection of Oxygen Vacancies (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi U. Ito
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 共鳴X線散乱によるU2Pt6Ga15の磁気構造の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田端千紘, 芳賀芳範, 今布咲子, 村田怜也, 網塚浩, 中尾裕則, 松本裕司, 山村朝雄
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] EuPtXにおける磁気スキルミオン相と磁場応答 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金子耕士
  • 学会等名: 科研費新学術領域「 J-Physics:多極子伝導系の物理」最終成果報告会
• [学会発表] News from JRR-3 (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Kaneko, C. Tabata, T. Takeuchi, M. D. Frontzek, M. Matsuda, K. Ohishi, T. U. Ito, K. Munakata, R. Kiyanagi, M. Kakihana, Y. Onuki
  • 学会等名: Virtual International Sample Environment Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 原子力機構装置群を活用したJRR-3再稼働後の強相関電子系研究: J-PARCとの相補利用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金子耕士
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] JAEA装置群の高度化とサイエンスの展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金子耕士
  • 学会等名: 物性研短期研究会 「中性子散乱研究の現状とJRR-3再稼働後の展望」
  • 招待講演
• [学会発表] JRR-3におけるJAEA試料環境の再構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金子 耕士, 山内 宏樹，樹神 克明, 佐々木 未来, 下条 豊, 長壁 豊隆
  • 学会等名: 日本中性子科学会 第20回年会