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正方カゴメ格子磁性体における新奇量子スピン状態の創出と発現機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21K03453
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
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 (2022-2023)
東京理科大学 (2021)

研究代表者

藤原 理賀  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 (60722840)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード正方カゴメ格子 / 量子スピン液体 / 低次元磁性体 / フラストレーション / ミュオンスピン回転 / 中性子散乱 / 人工鉱物 / 低温合成 / 量子スピン / μSR / 物質探索 / 量子スピン系 / 一次元量子スピン鎖 / チェッカーボード格子
研究開始時の研究の概要

KCu6AlBiO4(SO4)5Clは量子スピンを担うCu2+が正方カゴメ格子を形成する初の物質であり,スピン液体的な振る舞いが観測されている.本発見を契機に実施された理論研究では,スピン液晶相や未特定の量子スピン相の存在が予言されているが,実験・理論共に開拓が始まったばかりの研究領域である.
本研究ではKCu6AlBiO4(SO4)5Clのファミリー物質群を創製し,量子ビーム実験によりスピン状態を明らかにする.新奇量子スピン状態の創出および発現条件解明を,理論研究者と協力する事で達成し,「正方カゴメ格子の科学」という新領域を発展させる事が本研究の目的である.

研究成果の概要

量子スピン正方カゴメ格子反強磁性体の新たな候補物質Na3Cu6BiO4(SO4)5 を見出し、人工合成に成功した。相補的な性質を有する量子ビームを利用した実験研究の結果は、既報物質とは異なるエキゾチックなスピン状態が実現している可能性を示唆している。
また、正方カゴメ格子物質の探索の過程で、J1-J2量子スピン反強磁性鎖物質で初めてスピンギャップの観測が期待できる物質Cd2Cu2(PO4)2SO4・5H2O 、次元クロスオーバー現象の観測に適した擬一次元量子磁性体KCuPO4・H2Oを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

「量子スピン正方カゴメ格子反強磁性体」は、実験・ 理論共に開拓が始まったばかりの研究領域である。本研究では、2例目の候補物質Na3Cu6BiO4(SO4)5を見出し、既報物質とは異なるスピン状態を観測した。本発見は、正方カゴメ格子のスピン状態の理解の深化に資するものである。また、物質探索過程で見出された2種類の量子磁性体は、それぞれの系においてブレークスルーをもたらす可能性がある。
低次元量子スピン系の理論研究では、次世代技術の革新に資する量子状態の実現が予想されているが、実際の物質で観測されることは稀である。本研究はそのようなスピン状態の探索領域を拡張するものであり、社会的にも意義深い。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] 27Al-NMR study on a square-kagome lattice antiferromagnet2024

    • 著者名/発表者名
      Goto Takayuki、Fujihala Masayoshi、Mitsuda Setsuo
    • 雑誌名

      Interactions

      巻: 245 号: 1 ページ: 1-4

    • DOI

      10.1007/s10751-024-01895-0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] μSR studies on copper minerals2024

    • 著者名/発表者名
      Fujihala Masayoshi、Okabe Hirotaka、Koda Akihiro
    • 雑誌名

      Interactions

      巻: 245 号: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1007/s10751-024-01856-7

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Atomic reconstruction induced by uniaxial stress in MnP2023

    • 著者名/発表者名
      Kozawa Tatsuya、Fujihala Masayoshi、Uchihara Takeru、Mitsuda Setsuo、Yano Shin-ichiro、Tamatsukuri Hiromu、Munakata Koji、Nakao Akiko
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-023-40806-1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin gap in the weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet KCuPO4・H2O2023

    • 著者名/発表者名
      Fujihala M.、Hagihala M.、Morita K.、Murai N.、Koda A.、Okabe H.、Mitsuda S.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 107 号: 5 ページ: 054435-054435

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.054435

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Birchite Cd2Cu2(PO4)2SO4 5H2O as a model antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg J1-J2 chain2022

    • 著者名/発表者名
      Fujihala Masayoshi、Jeschke Harald O.、Morita Katsuhiro、Kuwai Tomohiko、Koda Akihiro、Okabe Hirotaka、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Mitsuda Setsuo
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 6 号: 11 ページ: 114408-114408

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.6.114408

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Relief of spin frustration through magnetic anisotropy in the quasi-one-dimensional S=1/2 antiferromagnet Na2CuSO4Cl22022

    • 著者名/発表者名
      Fujihala M.、Sakuma Y.、Mitsuda S.、Nakao A.、Munakata K.、Mole R. A.、Yano S.、Yu D. H.、Takehana K.、Imanaka Y.、Akaki M.、Okubo S.、Ohta H.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 105 号: 14 ページ: 144410-144410

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.144410

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 超低温・低磁場NMRからみた反強磁性zigzag鎖Cd2Cu2(PO4)2 SO4・5H2Oの基底状態2024

    • 著者名/発表者名
      丸山薫、藤井裕、伊藤颯人、大橋央宜、倉知豊、林哉汰、藤原理賀、石川裕也
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] μSR studies of quantum magnets2023

    • 著者名/発表者名
      M. Fujihala
    • 学会等名
      International Conference on Hyperfine Interactions and Their Applications (HYPERFINE 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 菱形格子反強磁性体KCoPO4・H2Oの磁性2023

    • 著者名/発表者名
      藤原 理賀、萩原 雅人、岡部 博孝、中村 惇平、幸田 章宏、松尾 晶、金道 浩一、宗像 孝司、 石角 元志
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] zigzag鎖反強磁性体Cd2Cu2(PO4)2 SO4・5H2Oの核磁気緩和2023

    • 著者名/発表者名
      丸山薫、伊藤颯人、林哉汰、藤原理賀、石川裕也、藤井裕
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Quantum Magnetism in Kamchatkan Copper Minerals2022

    • 著者名/発表者名
      M. Fujihala
    • 学会等名
      第46回 日本磁気学会学術講演会 Symposium "Novel design and synthesis approach for electro-magnetic materials"
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] チェッカーボード格子反強磁性体KCuPO4H2Oの磁性2022

    • 著者名/発表者名
      藤原理賀, 森田克洋, 満田節生, 岡部博孝, 幸田章宏, 村井直樹, 萩原雅人
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 一軸応力が誘起するMnPの巨大磁気応答と結晶構造再構成2022

    • 著者名/発表者名
      小澤竜也, 藤原理賀, 内原猛, 満田節生, 矢野真一郎, 中尾朗子, 宗像孝司
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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