| 研究課題/領域番号 |
22K14002
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
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| 研究機関 | 東京農工大学 |
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研究代表者 |
原口 祐哉 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70808667)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | キタエフ模型 / スピン軌道相互作用 / 新物質 / 低温合成 / トポケミカル合成 / ハイドロフラックス / メタセシス合成 / 磁性体 / 遷移金属酸化物 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、強いスピン軌道相互作用を有する4d・5d遷移金属化合物における新物質の開発および新奇物性開拓を目指すことを目的とし、その方法としてトポケミカル反応やメタセシス反応などの低温合成法を用いる。本研究では次の3つの目標を掲げ、実行する。(1) 低温合成法が可能な新たな前駆体を探索し新しい4d・5d遷移金属化合物を合成し、さらに、(2) 固体電解質や不活性塩などを用いた新しい低温合成法を開発しさらなる対象物質の拡張を図り、また、(3) 低温合成に基づく特異な配位構造によってスピン軌道結合の効果を制御し、異常物性の開拓を行う。
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| 研究実績の概要 |
①ハイドロフラックス法を使用して、新規コバルトハニカム磁性体KCoAsO4を合成に成功しました。この物質は、Weiss温度が38Kで示す強磁性相互作用と13Kでの反強磁性的な磁気秩序を通じて、キタエフハイゼンベルグ模型によるスピンモデルの適用が可能であることを示しています。また、磁場3Tおよび3.8Tでの二段階の磁場誘起相転移が観測され、キタエフ磁性との関連性を現在解明中です。さらに、KCoAsO4が示す粘土鉱物的性質により、カリウムイオンを様々な有機アルキルアンモニウムイオンと交換可能であることが判明しました。これにより、磁気的次元性とキタエフ磁性の関係性の研究が進展することが期待されます。
②トポケミカル反応を用いて、世界初となるイルメナイト型のロジウム酸化物CdRhO3の合成に成功しました。過去のイルメナイト型イリジウム酸化物の合成経験を活かしながら、MgRhO3やZnRhO3は合成できなかった背景を第一原理計算を通じて熱力学的エネルギー凸包から説明しました。CdRhO3は、Weiss温度が-200Kと示す強い反強磁性相互作用にもかかわらず、2Kまで磁気秩序を示さないことが磁化率および比熱測定から明らかになりました。
③トポケミカル反応を用いてイルメナイト型のPbIrO3を合成しました。構造解析からは、Pbイオンのローンペアが層間にvan der Waalsギャップを形成していることが判明しました。50Kでの磁気秩序を示し、Pbイオンを介したハイゼンベルグ相互作用の強さが確認されました。この発見は、イオンの電子構造と磁性の関係を深く理解する上で重要な意味を持ちます。
これらの成果は、新規物質の合成とその物性解析の進歩に寄与し、さらなる機能性材料の開発への道を拓いています。
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| 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
①イオン交換剤のエントロピー管理と副生成物の生成エンタルピーの最適化：トポケミカル反応において、イオン交換剤のエントロピー特性を活用し、副生成物の生成エンタルピーに注目することで、CdRhO3とPbIrO3という二種類の新物質を効率的に合成することができました。このアプローチにより、反応の選択性が向上し、目的とする物質の合成に成功したことは、材料合成の理論と実践の両面での理解を深めることに貢献しました。
②ハイドロフラックス法という新奇な合成手法の導入：新物質KCoAsO4の合成には、新奇なハイドロフラックス法を採用しました。この手法は、高温での溶解と低温での再結晶を利用して、他の方法では得られない純度と結晶性を持つ物質を生み出すことができます。この革新的な手法の導入は、新物質の合成効率と品質を飛躍的に向上させる要因となりました。
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| 今後の研究の推進方策 |
①KCoAsO4の層間物質による次元性の制御：KCoAsO4のイオン交換特性を活用し、様々な層間物質を導入することによるコバルトハニカム面への疑似的な応力の調整を行います。具体的には、層間物質の厚みを精密に制御することで、磁性の次元性を調整し、コバルト系での初めてのキタエフ量子スピン液体基底状態の実現を目指します。この研究では、層間物質の物理的・化学的性質と磁性状態との相関を詳細に調べ、新しい量子磁性体の設計原理を確立します。
②CdRhO3とPbIrO3の磁性と電子構造の解析：CdRhO3については、その強い反強磁性相互作用と磁気秩序の不在について深く掘り下げます。特に、低温での磁気秩序の欠如が示唆する可能性のある量子スピン液体状態など、新しい量子磁性相の探索を行います。また、PbIrO3の場合は、Pbイオンのローンペアによる電子構造への影響と磁性の相関をさらに詳細に解析し、この種の物質における新しい相互作用メカニズムを明らかにします。
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