• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

磁気揺らぎをもつ希土類金属間化合物が示す無秩序型量子相転移の検証

研究課題

研究課題/領域番号 22K03529
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

志村 恭通  広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (10713125)

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
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード重い電子 / 磁気冷凍 / 量子臨界現象 / 重い電子系 / 量子相転移 / 極低温 / 磁歪 / 熱膨張 / 高磁場 / 希土類 / 磁性
研究開始時の研究の概要

希土類金属間化合物の温度を下げると、秩序を示さない非磁性金属(フェルミ液体)状態や磁気秩序, 軌道(多極子)秩序などの多彩な電子相を示す。これらの相は, 圧力や磁場, 磁場方位, 元素置換などをパラメーターとした量子相転移により、異なる相へと変わる。通常の量子相転移とは磁気秩序相から非磁性金属相への相転移を指す。本研究では、CeやYbを含む金属間化合物に対して、この一般的な磁気量子相転移とは異なる新しい量子相転移の発見と、その発現機構の実験的解明を目指す。特に、二つの異なるタイプの無秩序相間をつなぐ量子相転移の確立を目標とする。

研究実績の概要

本研究では、希土類金属間化合物における非磁性金属状態(価数揺動状態や近藤一重項状態)とスピン液体に代表される長距離磁気秩序がなく、磁気揺らぎを持つ基底状態という二つの無秩序状態の間の連続的相転移(クロスオーバー)の観測を目指している。
そのために研究代表者は希土類元素Ybを含む金属間化合物YbCu4Niに対して、CuとNiの組成変化に伴う基底状態の変化を研究してきた。YbCu4Niは0.2 K以下で7500mJ/K2molという巨大な電子比熱係数を示す"超"重い電子系化合物で、Ybが面心立方格子を組むため、幾何学的フラストレーションによる磁気揺らぎを内在する可能性がある。元素置換された10種類以上の異なる組成の多結晶試料Yb(Cu1-xNix)5 (0.5<x<1.5)を、高周波溶融炉を用いて合成した。それらの試料すべてに対して、自作の磁気冷凍セルを用いて、1.8 K、8 Tからの磁気冷凍(断熱消磁冷却)を行った。その結果、x=0.6の組成の試料が0.15 Kと最も冷えることを明らかにした。
この結果はエントロピ-が最も絶対零度付近に残るのが、x=0.6の試料であることを意味し、この組成でクロスオーバーが起こり、x<0.6で非磁性金属相へと向かうこと示唆する。一方、近年行われたYbCu4Ni(x=1)のミューオンスピンの緩和率測定の結果によると、x=1でも、磁気秩序が見られないことが観測された。即ち、0.6 < x < 1の領域の組成は磁気秩序相でも、非磁性相でもないと理解でき、x=0.6では、二つの無秩序相間のクロスオーバーが発現していると期待できる。

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

Ybは蒸気圧が高いため、一般的に合成は簡単ではないが、研究代表者は高周波溶融炉を用いた多結晶試料の合成法を確立し、すでに、10種類以上の様々なCuとNiの組成のYb(Cu,Ni)5を合成に成功している。そして、すべての試料に対して、磁気冷凍実験を行い、最も低温に磁気エントロピーが残る組成を明らかにした。そのため、Yb(Cu,Ni)5の大まかな組成依存性はすでに理解されつつある。
それだけでなく、一般的にYbの試料は自己フラックス法による数ミリ角の小型の試料しかできないことが多いが、今回用いた高周波炉による合成方法では、数グラムの大型試料を作ることができる。そのため、大型試料が必要で、将来的に実施を検討しているミューエスアールによる緩和率測定や中性子非散乱実験での使用も可能である。これらの手法は、本研究で観測を目指している磁気揺らぎを微視的に検出できる強力な手法であるため、それに必要な試料がすでに手元にあることは、研究が順調に進んでいることの一つの証拠である。

今後の研究の推進方策

今年度の研究により、Yb(Cu,Ni)5の様々な組成に対する磁気冷凍により最も冷える組成を明らかにした。今後はその組成を中心に極低温精密物性測定を行う。所属研究室では、希釈冷凍機や断熱消磁冷凍機を用いて、0.08 Kまでの比熱や磁化測定ができる。通常、非磁性金属相では比熱/温度や磁化率が一定となるフェルミ液体的挙動が見られるが、磁気揺らぎが支配的となると考えられるx>0.6では、非フェルミ液体的挙動が期待される。この観測に加え、現在、共同研究として、NMR測定が計画中である。NMRの緩和率の温度変化からも非フェルミ液体的挙動の観測を目指し、マクロとミクロの両面から、Yb(Cu,Ni)5の磁気揺らぎの存在と、無秩序型の連続的相転移の観測を目指す。
最後に本研究で行った磁気冷凍実験では、x=0.6において、0.15 Kまで冷えることを見出した。これを応用して、この組成の試料を高周波炉を用いて大型化し、100グラム程度の試料を合成する。それを冷却材として活用して、極低温測定に利用することも関連した研究として実施する予定である。

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

    (25件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 5件)

  • [国際共同研究] Augsburg University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Weak Kondo Coupling Antiferromagnet CePd3Sn22024

    • 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

    • 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] Collinear antiferromagnet SmPt6Al3 with a Sm honeycomb structure centered by Pt triangles2024

    • 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

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] イッテルビウム化合物を用いた1K以下の極低温生成のための磁気冷凍材料の開発2023

    • 著者名/発表者名
      志村 恭通, 常盤 欣文
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 78 号: 8 ページ: 461-466

    • DOI

      10.11316/butsuri.78.8_461

    • ISSN
      0029-0181, 2423-8872
    • 年月日
      2023-08-05
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Inelastic neutron scattering study of crystalline electric field excitations in the caged compounds NdT2Zn20 (T = Co, Rh, and Ir)2023

    • 著者名/発表者名
      R. Yamamoto, M. D. Le, D. T. Adroja, Y. Shimura, T. Takabatake, and T. Onimaru
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 107 号: 7 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.075114

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] GdPt6Al3: A canted antiferromagnet with a honeycomb structure2022

    • 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

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetic structure of an antiferromagnet NdRh2Zn20 investigated by powder neutron diffraction2022

    • 著者名/発表者名
      R. Yamamoto、Y. Shimura、K. Umeo、T. Takabatake、F. Damay、J.-M. Mignot、T. Onimaru
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 2164 号: 1 ページ: 012053-012053

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2164/1/012053

    • 関連する報告書
      2022 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] High-field magnetization and magnetoresistance of the honeycomb Kondo lattice alloys Ce(Pt1-xPdx)6Al32022

    • 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

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetic properties of rare-earth zigzag chain systems RAgSe2 (R = Ho, Er, Tm, and Yb)2022

    • 著者名/発表者名
      S. Mizutani、Y. Ohmagari、T. Onimaru、Y. Shimura、R. Yamamoto、K. Umeo、T. Takabatake
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 2164 号: 1 ページ: 012025-012025

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2164/1/012025

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 重い電子系化合物 YbCo2Zn20の 磁場誘起相に対する磁歪と熱膨張測定2023

    • 著者名/発表者名
      志村 恭通, 西原 壱政, 梅尾 和則, 鬼丸 孝博
    • 学会等名
      日本物理学会2023年年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 重い電子系化合物YbCo2Zn20 の磁場誘起相に対する磁歪・熱膨張2023

    • 著者名/発表者名
      志村恭通, 西原壱政, 梅尾和則, 鬼丸孝博
    • 学会等名
      学術変革領域研究(A) 「アシンメトリ量子」キックオフミーティング
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Magnetic Refrigeration down to 1 K with heavy-fermion alloys Ce2(Cu1-xNix)2In tune to the quantum critical point2023

    • 著者名/発表者名
      K. Watanabe, Y. Shimura, T. Onimaru, and T. Takabatake
    • 学会等名
      Strongly Collated Electron Systems 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 重い電子系磁気冷凍材料YbCu4Niの大型化による低温の保持時間の延長2023

    • 著者名/発表者名
      冨田 光太郎, 志村 恭通, 渡邉 寛大, 谷口 貴紀, 梅尾 和則, 藤田 全基, 鬼丸 孝博, 高畠 敏郎
    • 学会等名
      日本物理学会2023年年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 重い電子系金属間化合物(Yb1-xYx)Cu4Niの比熱測定による 磁気冷凍性能の評価2023

    • 著者名/発表者名
      渡邉 寛大, 志村 恭通, 谷口 貴紀, 大里 耕太郎, 梅尾 和則, 藤田 全基, 鬼丸 孝博, 高畠 敏郎
    • 学会等名
      日本物理学会2023年年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Yb三角格子欠損系Yb2Cu2nSn+3 (n = 2.2, 3.6) における乱れに伴う幾何学的フラストレーション効果の緩和2023

    • 著者名/発表者名
      岡島聡志, 水谷宗一郎, 志村恭通, 梅尾和則, 鬼丸孝博
    • 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] 非磁性基底二重項をとる立方晶PrMgNi4の磁歪測定による四極子感受率の評価2023

    • 著者名/発表者名
      草ノ瀬 優香, 志村 恭通, 鬼丸 孝博
    • 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] PPMSに装着可能な自作磁気冷凍セルを用いたCe2(Cu1-xNix)2Inの磁気冷凍2023

    • 著者名/発表者名
      渡邉 寛大,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] 重い電子系化合物YbCo2Zn20の0.05 Kまでの一軸圧下直流磁化測定2022

    • 著者名/発表者名
      志村恭通, 西原壱政, 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
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] PPMSに装着できる磁気冷凍装置の開発とCe系金属磁気冷凍材料の探索2022

    • 著者名/発表者名
      渡邉寛大,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
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Single-Site Low-Temperature Properties in Diluted Nd Compounds Y1-xNdxCo2Zn20 for x < 0.12022

    • 著者名/発表者名
      Rikako Yamamoto; Yasuyuki Shimura; Kazunori Umeo; Toshiro Takabatake; Takahiro Onimaru
    • 学会等名
      International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic refrigeration below 1 K using Yb-based intermetallic compound YbCu4Ni2022

    • 著者名/発表者名
      Kanta Watanabe; Yasuyuki Shimura; Takanori Taniguchi; Kotaro Osato; Rikako Yamamoto; Yuka Kusanose; Kazunori Umeo; Masaki Fujita; Takahiro Onimaru; Toshiro Takabatake
    • 学会等名
      International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Adiabatic Demagnetization Refrigeration with Heavy-Fermion Metal YbCu4Ni down to 0.2 K2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuyuki Shimura; Kanta Watanabe; Takanori Taniguchi; Kotaro Osato; Rikako Yamamoto; Yuka Kusanose; Kazunori Umeo; Masaki Fujita; Takahiro Onimaru; Toshiro Takabatake
    • 学会等名
      International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quadrupole phase transition in a cubic 4f2 compound PrCdNi4 with a non-Kramers doublet ground state2022

    • 著者名/発表者名
      Yuka Kusanose; Takahiro Onimaru; Yasuyuki Shimura; Kazunori Umeo; Toshiro Takabatake
    • 学会等名
      International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi