ハニカム近藤格子系におけるフラストレーション効果とキタエフ近藤物理

• 研究課題/領域番号: 21K03473
• 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: 広島大学
• 研究代表者: 高畠 敏郎 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 名誉教授 (40171540)
• 研究分担者: 梅尾 和則 広島大学, 自然科学研究支援開発センター, 准教授 (10223596)
• 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: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 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: 強相関電子系 / 磁気フラストレーション / ハニカム格子 / 量子臨界現象 / キタエフモデル / 低温高圧実験 / 希土類化合物 / 反対称磁気交換相互作用

研究開始時の研究の概要

近藤効果を示すセリウムがハニカム格子を組むと，磁気フラストレーションに加えて，キタエフ型のボンドフラストレーションが期待される。その様な場合に予言されている部分無秩序反強磁性状態や特異な超伝導状態を実験的に検証する。具体的には，CePt6Al3という新規物質に元素置換を施した試料を作製し，低温での比熱と磁化率の測定によりバルク磁性を調べ，核磁気共鳴，中性子散乱，ミュウエスアールというミクロな手法で電子スピンの揺動と相関を調べる。これらの実験結果を理論と比較し，ハニカム近藤格子系の新奇な量子状態を見出す。

研究成果の概要

重い電子系CePt6Al3における磁気フラストレーションの役割と同型構造の希土類化合物の磁性を明らかにすることを目的とし，以下の新事実を捉えた。Ptを同族元素のPdで僅か5%置換すると磁気秩序が発生するが，近藤効果を弱めるAuで置換しても磁気秩序は起こらないという結果は，ハニカム格子の磁気フラストレーションがCePt6Al3の重い電子状態の形成に関与していることを意味する。希土類ハニカム化合物RPt6Al3では，結晶構造は反転対称をもつにも関わらず，最近接R原子間の中点において反転対称性が無いためにジャロシンスキー・守谷相互作用がはたらき，R = Nd, Gdは傾角反強磁性秩序を起こす。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近藤効果による重い電子状態の形成機構は既に確立しているが，磁気フラストレーションの役割は不明であった。本研究ではセリウム原子がハニカム格子を組む初めての化合物を対象とした系統的な元素置換による比較研究から磁気フラストレーションの役割を捉えた点に意義がある。更に，研究対象を希土類原子の六角形がPt原子の三角形を内包したハニカム格子を組む同型化合物に展開することによって，結晶構造は反転対称性を有していても最近接希土類原子間の中点で反転対称が無ければDM型の反対称磁気交換相互作用が活性となり，ハニカム面内の磁気モーメントが反平行から傾いた反強磁性秩序が出現する新たな例を提示した。

研究成果

• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [国際共同研究] University of Johannesburg(南アフリカ)
• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [雑誌論文] Weak Kondo Coupling Antiferromagnet CePd3Sn2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawaue, R. Oishi, C. Yang, R. Yamamoto, Y. Shimura, K. Umeo, T. Onimaru, D. T. Adroja, H. C. Walker, and T. Takabatake
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn 巻: 93 号: 3
  • DOI: 10.7566/jpsj.93.034706
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collinear antiferromagnet SmPt6Al3 with a Sm honeycomb structure centered by Pt triangles (2024)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi, Y. Shimura, K. Umeo, T. Onimaru, T. Matsumura, M. Tsukagoshi, K. Kurauchi, H. Nita, T. Takabatake
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 93 号: 3
  • DOI: 10.7566/jpsj.93.034707
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tuning the Kondo Effect in the Honeycomb Heavy-fermion Compound CePt6Al3 by Electron and Hole Doping (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi, K. Umeo, T. Onimaru, and T. Takabatake
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 38 ページ: 011087-011087
  • DOI: 10.7566/jpscp.38.011087
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum critical spin-liquid-like behavior in S = 1/2 quasikagome lattice compound CeRh1-xPdxSn investigated using muon spin relaxation and neutron scattering (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Tripathi, D. T. Adroja, C. Ritter, S. Sharma, C. Yang, A. D. Hiller, M. M. Koza, F. Demmel, A. Sundaresan, S. Langridge, W. Higemoto, T. U. Ito, A. M. Strydom, G. B. G. Stenning, A. Battacharyya, D. Keen, H. C. Walker, R. S. Perry, R. Pratt, Q. Si, T. Takabatake
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 106 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.064436
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] GdPt6Al3: A canted antiferromagnet with a honeycomb structure (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi, Y. Shimura, K. Umeo, T. Onimaru, T. Takabatake
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 91 号: 12 ページ: 124706-124706
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.124706
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-field magnetization and magnetoresistance of the honeycomb Kondo lattice alloys Ce(Pt1-xPdx)6Al3 (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi、A. Miyake、M. Tokunaga、Y. Shimura、K. Umeo、T. Onimaru、T. Takabatake
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2164 号: 1 ページ: 012033-012033
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2164/1/012033
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of 3p- and 5d-electron doping on the Kondo semiconductor CeFe2Al10 (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Tripathi, D. T. Adroja, M. R. Lees, V. L. Anand, A. Sundaresan, S. Langridge, A. Bhattacharya, Y. Muro, K. Hayashi, T. Takabatake
  • 雑誌名: J. Phys: Conf. Ser. 巻: 2164 号: 1 ページ: 012043-012043
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2164/1/012043
  • 国際共著
• [雑誌論文] Antiferromagnetic order in the honeycomb Kondo lattice CePt6Al3 induced by Pd substitution (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi、K. Umeo、Y. Shimura、T. Onimaru、A. M. Strydom、T. Takabatake
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 10 ページ: 104411-104411
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.104411
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crossover from Kondo semiconductor to metallic antiferromagnet with 5d-electron doping in CeFe2Al10 (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Tripathi, D. T. Adroja, M. R. Lees, A. Sundaresan, S. Langridge, A. Bhattacharyya, V. K. Anand, D.D. Khalyavin, J. Sannigrahi, G. Cibin, A. D. Hiller, R. I. Smith, H. C. Walker, Y. Muro, T. Takabatake
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 104 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.144405
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative investigation of the 4f occupation in the quasikagome Kondo lattice CeRh1-xPdxSn (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Sundermann, A. Marino, A. Gloskovskii, C. Yang, Y. Shimura, T. Takabatake, A. Severing
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 104 号: 23 ページ: 235150-235150
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.235150
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 回転磁気Grueneisen比による擬カゴメ近藤格子CeRhSnの量子臨界性の検証 (2024)
  • 著者名/発表者名: 湯淺翔平, 尾崎 優太, 河野洋平, 橘高俊一郎, 志村恭通, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 希土類ハニカム化合物NdPt6Al3における磁気秩序と磁場誘起逐次相転移 (2024)
  • 著者名/発表者名: 磯部健太郎, 正路真, 砂﨑栞奈, 大石遼平, 鬼丸孝博, 高畠敏郎, 野原実, 石井勲
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 準一次元Ce鎖を持つCePd3Sn2単結晶の異方的な磁性と電気伝導 (2024)
  • 著者名/発表者名: 川上裕大, 高畠敏郎, 大石遼平, 楊崇立, 山本理香子, 梅尾和則, 志村恭通, 鬼丸孝博， D.T. Adroja, H.C. Walker
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 擬カゴメ近藤格子CeRhSnの動的プランキアンスケーリング (2024)
  • 著者名/発表者名: 木村真一, M. F. Lubis, 渡邊浩, 志村恭通, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 希土類ハニカム化合物TbPt6Al3のIsing型反強磁性秩序 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大石遼平, 梅尾和則, 鬼丸孝博, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2023年第７８回年次大会
• [学会発表] 希土類ハニカム化合物NdPt6Al3における電気四極子応答と磁気相転移 (2023)
  • 著者名/発表者名: 磯部健太郎, 正路真, 砂崎栞奈, 斎藤奨太, 大石遼平, 鬼丸孝博, 高畠敏郎, 野原実, 鈴木孝至, 石井勲
  • 学会等名: 日本物理学会2023年第７８回年次大会
• [学会発表] Role of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in honeycomb antiferromagnets RPt6Al3 (R = Nd, Gd, Sm, and Tb) with a centrosymmetric structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Oishi, Kazunori Umeo, Takahiro Onimaru, Toshiro Takabatake
  • 学会等名: H-Physics Workshop: Topology, spin-orbit interactions and superconductivity in strongly correlated quantum materials under extreme conditions
  • 国際学会
• [学会発表] Collinear Antiferromagnet SmPt6Al3 with a Honeycomb Structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Oishi, Kazunori Umeo, Takahiro Onimaru, Toshiro Takabatake
  • 学会等名: 29th Intern. Conf. on Strongly Correlated Electron Systems 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 希土類ハニカム格子化合物RPt6Al3（R= Nd, Gd, Sm）の非共線的な磁気構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大石遼平，梅尾和則，鬼丸孝博，高畠敏郎, D. T. Adroja
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 一次元Ce鎖をもつCePd3Sn2における磁気異方性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川上祐大，大石遼平，山本理香子，梅尾和則，志村恭通，高畠敏郎，鬼丸隆博
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] ハニカム格子化合物GdPt6Al3の傾角反強磁性秩序 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大石遼平，志村恭通，梅尾和則，鬼丸孝博，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Tuning the Kondo effect in the honeycomb heavy-fermion compound CePt6Al3 by electron and hole doping (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi, K. Umeo, T. Onimaru, T. Takabatake
  • 学会等名: 29 th Intern. Conf. on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] ハニカム格子反強磁性体NdPt6Al3の磁性と伝導の異方性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大石遼平，志村恭通，梅尾和則，鬼丸孝博，高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年第77回年次大会
• [学会発表] ハニカム近藤格子化合物CePt6Al3の重い電子状態に対する電子/正孔ドープの効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大石遼平, 梅尾和則, 鬼丸孝博, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] NMRを用いたハニカム近藤格子化合物CePt6Al3におけるPd置換効果の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀 文哉，北川俊作，石田憲二，大石遼平, 鬼丸孝博, 高畠敏郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] High-field magnetization and magnetoresistance of the honeycomb Kondo lattice compound Ce(Pt1-xPdx)6Al3 (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Oishi, A. Miyake, M. Tokunaga, Y. Shimura, K. Umeo, T. Onimaru, T. Takabatake
  • 学会等名: Intern. Conf. on Strongly Correlated Electron Systems
  • 国際学会