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低対称性磁性サイトにおける異方的クラマース二重項の研究

研究課題

研究課題/領域番号 22K03505
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
研究機関東北大学

研究代表者

壁谷 典幸  東北大学, 理学研究科, 助教 (70633642)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード希土類磁性 / フラストレーション / 量子スピン系 / スピン多量体 / 希土類磁性体 / 結晶場固有状態 / 磁気多量体形成 / クラスター多極子 / 強相関系物理 / 磁性 / 希土類
研究開始時の研究の概要

本研究では、高い対称性をもつ結晶中に低い局所対称性の磁性サイトをもつ希土類化合物に注目した物質探索を行う。低対称な磁性サイトをもつ希土類化合物においては、異方的な擬スピン1/2状態であるクラマース二重項によって、交番磁場効果、強磁性的フラストレーション、多量体形成、大きな多極子形成などの、高対称な磁性サイトの化合物では生じ得ない現象が現れる。この研究を推進するために解決すべき困難である、結晶場固有状態の解析手法も提供する。

研究実績の概要

本研究は比較的高対称な結晶構造(例えば、正方晶や六方晶)中の低対称磁性サイトの存在によって発現する、異方的磁気応答やスピン多量体形成等の特異な性質に注目し、それにより発現することが期待される、部分秩序状態や新奇な量子基底状態の探索を行うものである。本研究計画の第2年度に当たる本年度では、おおむね当初予定していた通りの計画遂行が達成された。主な成果として、幾何学的フラストレーション構造と低対称サイトの異方性に起因した部分秩序状態の発見および強磁性的スピン三量体秩序相内における複合自由度の発見が挙げられる。
前者の部分秩序状態においては、低対称サイトの異方性により有効的な空間変調磁場を生じさせることが可能であることを見出した。この空間変調磁場は原子スケールで変調されており、外部からの一様磁場印加方向を変えることでその変調振幅の制御が可能である。
後者のスピン三量体形成は、強く結合した三個の磁気モーメントがあたかも一つの粒子の様に振る舞う現象である。共同研究として行った磁気構造解析によりCe3Ag4Mg12の磁気構造はこのスピン三量体を要素とした特徴的ならせん構造になっていることを見出した。類似した磁気構造は同じ結晶構造をもつ化合物Gd3Ru4Al12でも見出されているが、本研究で発見されたスピン三量体の特徴は、疑スピン1/2を構成要素とし、かつ内部自由度をもつ三量体が形成されている点である。類似化合物を含めた今後の研究によりスピンの複合自由度に関する理解が進むことが期待される。
本研究計画の最終年度に当たる来年度にはこれらの成果を学術論文として発表するために必要な実験及び論文執筆を行う。

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

現在までの研究により、以下の低対称磁性サイトに起因した特異な性質に関する研究が進展した。
・幾何学的フラストレーション構造をもつ正方晶化合物Ce2Pd2Pbおける、磁性を担うセリウムサイトの低対称性に起因した異方的な磁気応答を有効磁場として解釈できることを見出した。この有効磁場は空間的に振動した成分を持ち、その成分は磁場印加角度によって制御できることを実験的に示した。さらに、特定の方向に磁場を印加した際に半数のセリウムサイトのみが長距離的に秩序し、残りの半分が非磁性状態を保つ部分秩序状態が実現することを見出した。これらの結果について論文にまとめ、学術雑誌 Physical Review B に投稿した。
・大小二種類の大きさの三角形で構成されるカゴメ構造をもつ化合物Ce3Ag4Mg12において、比熱、磁化、および中性子回折実験を行い、反強磁性秩序状態において残存する非自明な自由度を見出した。この非自明な自由度の起源として、3個疑スピンが構成するスピントライマーの内部自由度の可能性を指摘した。この結果について日本物理学会第78回年次大会(2023年9月)および2024年春季大会(2024年3月)にて口頭発表を行った。
・上記Ce3Ag4Mg12と同様の構造をもつ化合物 Nd3Ag4Mg12, Sm3Ag4Mg12, Gd3Ag4Mg12 の単結晶育成に成功した。これらの化合物に対して比熱および磁化測定を行い、いずれの化合物においても磁気的な秩序状態が実現することを見出した。また、Nd3Ag4Mg12においては中性子回折実験も行い、磁気構造を決定した。
・上記Ce3Ag4Mg12と同様の構造をもつ化合物 Yb3Co4Al12 の単結晶を用いた中性子回折実験を行い、磁気秩序状態の探索を行った。
これらの研究内容に鑑みると、本研究の進行状況は概ね順調であると考えられる。

今後の研究の推進方策

次年度は本研究の最終年度である。上記の本研究で見出された発見を論文にまとめ学術雑誌に投稿・発表を行う。また、大小二種類の大きさの三角形で構成されるカゴメ構造をもつ化合物Ce3Ag4Mg12で見出された強磁性トライマー内の非自明な自由度により発現が期待される異常ホール効果の実験を行う。また、同型化合物でも同様の現象が発現することが期待されるため、これまでの研究で単結晶育成に成功したNd3Ag4Mg12, Sm3Ag4Mg12, Gd3Ag4Mg12 などの化合物においても基底状態の同定を行い、必要に応じて同様の測定を試みる。さらに、同様のスピン三量体形成が発現することが期待される上記のカゴメ構造をもつ化合物において、引き続き物質探索を行う。特に、反強磁性的な三量体形成が生じる物質が発見されれば、スピンカイラル自由度の秩序化や量子液体状態が実現する可能性もあり興味深い。
さらに、低対称性に起因した異方的な磁気応答が観測されたCe2Pd2Pbと同様の構造をもつ化合物Ce2Pt2CdおよびCe2Pd2Cdにおいて、磁場中で明瞭な磁化プラトーが観測されているため、この現象について解析を行い学術論文として発表する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 4件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Variation of Pressure-Induced Valence Transition with Approximation Degree in Yb-Based Quasicrystalline Approximants2023

    • 著者名/発表者名
      Imura Keiichiro、Yoneyama Yuki、Ando Hideyuki、Kabeya Noriyuki、Yamaoka Hitoshi、Hiraoka Nozomu、Ishii Hirofumi、Ishimasa Tsutomu、Sato Noriaki K.
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 9 ページ: 093701-093701

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.093701

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Analysis for the Spurious Strain on the Thermal Expansion Measurement Using Strain Gauges2023

    • 著者名/発表者名
      Satoyoshi Ryuto、Kabeya Noriyuki
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 011189-011189

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011189

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Anomalous Phase Transitions in the Antiferromagnetic Phase of CeIrSi32023

    • 著者名/発表者名
      Wu Yijian、Miseki Yuta、Sano Haruki、Kabeya Noriyuki、Sakakibara Toshiro、Kimura Noriaki
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 011077-011077

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011077

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improved Active-dummy Technique with Strain Gauges for Low-temperature Thermal Expansion Measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Imura Keiichiro、Kabeya Noriyuki、Nishi Yusuke、Takahashi Misato、Sato Noriaki K.
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 011194-011194

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011194

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiple Magnetic Phases in CeIrSi<sub>3</sub>2023

    • 著者名/発表者名
      Miseki Yuta、Sano Hiroki、Wu Yijian、Kabeya Noriyuki、Iida Hiroki、Kimura Noriaki
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 014422-014422

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011079

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetic phases of the frustrated ferromagnetic spin-trimer system <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Gd</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Ru</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Al</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> with a distorted kagome lattice structure2023

    • 著者名/発表者名
      Nakamura S.、Kabeya N.、Kobayashi M.、Araki K.、Katoh K.、Ochiai A.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 107 号: 1 ページ: 014422-014422

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.014422

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 三量体磁気秩序を示すCe3Ag4Mg12における磁場中比熱測定2024

    • 著者名/発表者名
      壁谷典幸, 見上竜, 中村慎太郎, 加藤健一, 木村憲彰, 落合明
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Type-II反強磁性体GdBiの表面Dirac電子状態:マイクロARPES2024

    • 著者名/発表者名
      本間飛鳥, 壁谷典幸, 相馬清吾, 山内邦彦, 高根大地, Yongjiang Wang, 中山耕輔, 小澤健一, 小口多美夫, 高橋隆, 木村憲彰, 安藤陽一, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Breathing kagome 構造を持つ Ce3Ag4Mg12 における成分分離型の奇妙な磁気秩序状態2023

    • 著者名/発表者名
      壁谷典幸, 見上竜, 中村慎太郎, 加藤健一, H. C. Wu, 佐藤卓, 木村憲彰, 落合明
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Ln3M4Mg12(Ln = La, Ce, Nd, Sm, Gd; M = Ag, Au)の単結晶育成2023

    • 著者名/発表者名
      山本海斗, 壁谷典幸, 見上竜, 中村慎太郎, 荒木幸治, 加藤健一, 木村憲彰, 落合明
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Gd3Ru4Al12の磁気異方性と磁気四極子相互作用2023

    • 著者名/発表者名
      中村慎太郎, 壁谷典幸, 落合明, 荒木幸治, 加藤健一
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Al-Zn-Mg準結晶・近似結晶の超伝導特性の圧力依存性2023

    • 著者名/発表者名
      原田光太郎, 壁谷典幸, 神谷京佑, 竹内恒博, 石政勉, 大橋諭, 藤田伸尚, 木村憲彰, 佐藤憲昭
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] 鉄系超伝導体FeSeにおける圧力下歪測定2023

    • 著者名/発表者名
      大野綾太郎, 水上雄太, Supeng Liu, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 壁谷典幸, 木村憲彰
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Yb系近似結晶Au-Al-YbおよびZn-Au-Ybにおける圧力誘起価数転移2023

    • 著者名/発表者名
      井村敬一郎, 米山祐樹, 安藤秀行, 壁谷典幸, 山岡人志, 平岡望, 石井啓文, 石政勉, 佐藤憲昭
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] 三角格子希土類層状化合物RM3P3(R:希土類、M:Cd,Zn)の低温での構造歪み (22pH1-8)2023

    • 著者名/発表者名
      竹内勇二朗, 石井祐太, 山浦淳一, 佐賀山基, 壁谷典幸, 落合明, 若林裕助
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Self-heating correction for the thermal expansion measurement at low temperatures using strain gauges [P22-SF5-01]2023

    • 著者名/発表者名
      Ryuto Satoyoshi, Noriyuki Kabeya
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic Phase Diagrams and Acoustic de Haas-van Alphen Effects in Heavy Fermion System CeTe with Multipole Ordering [P22-SF3B-33]2023

    • 著者名/発表者名
      Shintaro Nakamura, Noriyuki Kabeya, Motoi Kimata, Satoshi Awaj, Akira Ochiai
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improved active-dummy technique with strain gauges f or low-temperature thermal expansion measurement [P22-SF5-07]2023

    • 著者名/発表者名
      Keiichiro lmura, Noriyuki Kabeya, Yusuke Nishi, Misato Takahashi, Noriaki K Sato
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Multiple Magnetic Phases in CelrSi3 [P23-SF3A-16]2023

    • 著者名/発表者名
      Yuta Miseki, Hiraki San, Noriyuki Kabeya, Hiraki Iida, Noriaki Kimura
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] 東北大学 理学研究科物理学専攻 極低温量子物理研究グループ

    • URL

      http://www.vlt.phys.tohoku.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 東北大学理学部物理学専攻電子物理学講座 極低温量子物理研究グループHP

    • URL

      http://www.vlt.phys.tohoku.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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