高圧合成法を駆使した量子スピン軌道液体候補物質の開発

• 研究課題/領域番号: 22K18680
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分13:物性物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 今井 良宗 東北大学, 理学研究科, 准教授 (30435599)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 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: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 量子スピン軌道液体 / 高圧合成 / スピン軌道相互作用 / 非線形伝導 / クラスター化合物 / SU(4)対称性

研究開始時の研究の概要

本研究課題では，量子スピン軌道液体に関する研究のプラットフォームを確立することを目的として，第4族遷移金属元素を含むハニカム型ハロゲン化物の合成に取り組む．ハニカム格子を有する第４族遷移金属ハロゲン化物は量子スピン軌道液体の候補物質であることが理論的に指摘され，興味が持たれている．しかし一般には，1次元鎖構造が安定化するため，ハニカム格子を持つ物質系は知られていない．そこで，本研究では，高圧合成法を用いることによって，ハニカム格子を持つ第４族遷移金属ハロゲン化物の合成に取り組み，その電子物性を明らかにする．

研究実績の概要

研究計画にしたがって，2023年度は，スピン軌道相互作用が強い4d電子や5d電子を有する遷移金属ヨウ化物と遷移金属酸ヨウ化物に関する研究を行った．
まず，高圧合成法を用いて，新しいモリブデンヨウ化物を見出した．モリブデンヨウ化物（Mo6Ix）はモリブデンが六量体クラスターを形成した結晶構造をとることが知られており，いくつかの組成比の化合物が報告されている．既存物質であるMo6I18を高温高圧下に保持することによって，Mo6I15を得た．この結晶構造は完全には明らかではないが，W6B16の結晶構造と類似した構造であると考えている．既知のモリブデンヨウ化物のヨウ素量xは偶数値のみをとることが知られており，一般に磁性を持たない．しかし，今回見出した物質は，xが奇数値を持つのが特徴であり，低温で反強磁性転移を示す．反強磁性転移温度は11 Kである．キュリーワイス温度の絶対値は，反強磁性転移温度よりも大きな値を示しており，この系が強いフラストレーションを持つことを示唆している．
第二に，ニオブオキシハライドNbOI2の電子物性を評価した．この系は，b軸方向に分極を持つ強誘電体であり，新しい原子層強誘電体として，注目を集めている系である．輸送特性を評価したところ，100ケルビン以上では，大きなリーク電流が見られることがわかった．興味深いのは，印加電流の周波数に対して，2倍の周期を持つ非線形伝導を観測したことである．この振る舞いが，結晶構造の対称性の要求に基づいた本質的なものか，それとも，ショットキー接合形成による非本質的なものかを今後明らかにしていく予定である．

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

今年度は，昨年度得られた知見に基づいて，金属元素とヨウ素を原料として合成した遷移金属ヨウ化物に関する研究に取り組んだ．その結果，高圧合成を用いて，新しい六量体クラスター構造を持つモリブデンヨウ化物を得た．この系は低温で反強磁性を示すが，このように磁性を示すモリブデンヨウ化物は非常に珍しい．今後，モリブデンヨウ化物と同様の合成方法を用いて，さまざまな遷移金属ヨウ化物へと研究対象を拡大していきたい．
また，遷移金属ヨウ化物を作製する過程で得たニオブ酸ヨウ化物単結晶に対して電子物性を評価したところ，予想外に，誘電体試料において非線形伝導を観測した．今後，この非線形伝導が結晶構造の対称性の要求に基づいた本質的なものか，それとも，ショットキー接合形成など外因的な原因によるものかを今後明らかにしていく予定である．したがって，当初予定したこととは異なる振る舞いが見られているものの，研究はおおむね順調に進んでいると判断した．

今後の研究の推進方策

今年度の研究によって，金属元素とヨウ素を原料として遷移金属ヨウ化物を合成する手法の有効性を確認することができた．この知見に基づいて，本年度は，同じ合成手法を用いて，物質系を拡張することを試みる．たとえば，第５族の遷移金属を含むヨウ化物に注目すると，ヨウ化バナジウム(III)VI3はハニカム格子を取ることが知られている．バナジウムを起点として，同族元素のニオブやタンタルを含むヨウ化物の物質開発を行う．ハニカム格子を有するヨウ化ニオブ(III)NbI3の存在は知られていないが，高圧下では稠密なハニカム構造が安定化する可能性がある．高圧下で合成したNbI3の結晶構造を調べると同時に，VI3とNbI3の混晶試料を作製し，ハニカム構造の安定な条件を探索する．その結果を踏まえて，第４族の遷移金属を含むヨウ化物へと研究対象を拡大しながら，研究を進めて行く．
また，NbOI2の非線形伝導の観測を受けて，遷移金属酸ヨウ化物に関する研究も並行して進めていきたいと考えている．2023年度に観測した非線形伝導の起源を明らかにするために４端子法での非線形伝導の測定や，サイズを系統的に変化させた試料を用いての測定を行う．さらに，物質系を拡張し，モリブデン酸ヨウ化物の電子物性の測定を視野に入れている．この系は，軌道選択的パイエルス転移が理論的に示唆されている．まずはこの系の単結晶試料を作成し，輸送特性を精密に評価することによって，得意な伝導特性が現れるか否かを明らかにする．

研究成果

• [雑誌論文] Magnetism in the Kitaev quantum spin liquid candidate RuBr3 (2024)
  • 著者名/発表者名: Weinhold T.、Wang C.、Seewald F.、Grinenko V.、Imai Y.、Sato F.、Ohgushi K.、Klauss H.-H.、Sarkar R.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.014440
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Insulator-metal transition in Ru(Br1-xIx)3 with honeycomb structure (2024)
  • 著者名/発表者名: Sato Fuki、Fujihara Hideyuki、Gotou Hirotada、Aoyama Takuya、Imai Yoshinori、Ohgushi Kenya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.035154
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure-induced switching of electronic nematicity in the iron-based ladder materials BaFe2(S1-xSex)3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Aoyama Takuya、Nojima Rinto、Yamauchi Touru、Imai Yoshinori、Ohgushi Kenya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 号: 9 ページ: 094507-094507
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.094507
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic and spin-orbit exciton excitations in the honeycomb lattice compound RuBr3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Choi, J.-H. Lee, S. Lee, D. Wulferding, H. Fujihara, F. Sato, Y. Imai, K. Ohgushi, M.-J. Seong, K.-Y. Choi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 106 号: 17 ページ: 174430-174430
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.174430
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] キタエフスピン液体に着目した新物質開発ー高圧合成法を用いた新しいルテニウムハライド RuBr3, RuI3の発見ー (2022)
  • 著者名/発表者名: 今井良宗，大串研也，那波和宏，佐藤卓，清水康弘，山地洋平
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 57 ページ: 725-744
  • 査読あり
• [学会発表] イオン液体によりドーピングしたα-RuCl3のラマン散乱分光Ⅱ (2024)
  • 著者名/発表者名: 上野優典, 後藤貫太, 中村優斗, 佐藤楓貴, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 岩井伸一郎, 岸田英夫
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 原子層強誘電体NbOI2の単結晶育成と物性評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 鷲見風光乃, 今井良宗, 青山拓也, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] Metal-insulator transition in Ru(Br1-xIx)3 with a honeycomb structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Fuki Sato, Yoshinori Imai, Takuya Aoyama, Hideyuki Fujihara, Kazuhiro Nawa, Hirotada Gotou, Taku J. Sato, and Kenya Ohgushi
  • 学会等名: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Properties of Molybdenum Iodides with Cluster Structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Kitano, Yoshinori Imai, and Kenya Ohgushi
  • 学会等名: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • 国際学会
• [学会発表] クラスター構造を持つモリブデンヨウ化物の電子物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 北野友裕, 今井良宗, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] ハニカム格子物質RuX3(X=Br,I)の光学特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤楓貴, 今井良宗, 青山拓也, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] イオン液体によりドーピングしたα-RuCl3のラマン散乱分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上野優典, 中村優斗, 佐藤楓貴, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 岩井伸一郎, 岸田英夫
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Metal-Insulator Transition in Ru(Br1-xIx)3 with a Honeycomb Structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Fuki Sato, Yoshinori Imai, Takuya Aoyama, Hideyuki Fujihara, Kazuhiro Nawa, Hirotada Gotou, Saori Kawaguchi, Taku J. Sato, and Kenya Ohgushi
  • 学会等名: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
• [学会発表] Electronic phase diagrams of iron-based ladder materials BaFe2(S1-xTex)3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Kawaguchi, Yoshinori Imai, Takuya Aoyama, Kenya Ohgushi
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] Pressure-induced Switching of Orbital Ordering in Iron-based Ladder Material, BaFe2(S1－xSex)3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Aoyama, Rinto Nojima, Yoshinori Imai, Kenya Ohgushi
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] New Kitaev spin liquid candidate ruthenium halides RuX3 (X = Br, I) with a honeycomb lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Imai, Hideyuki Fujihara, Fuki Sato, Wakana Yamada, Takuya Aoyama, Kazuhiro Nawa, Takumi Hiraoka, Ryotaro Takahashi, Daisuke Okuyama, Yasuhiro Shimizu, Takamasa Ohashi, Youhei Yamaji, Masato Hagihala, Shuki Torii, Hirotada Gotou, Takayuki Kawamata, Masatsune Kato, Masayuki Itoh, Taku J Sato, Kenya Ohgushi
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • 国際学会
• [学会発表] 高圧下で合成したハニカム格子物質Ru(Br1-xIx)3の電子物性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 楓貴, 今井 良宗, 藤原 秀行, 青山 拓也, 那波 和宏, 後藤 弘匡, 佐藤 卓, 大串 研也
  • 学会等名: 日本放射光学会 第14回若手研究会
• [学会発表] 奇パリティ磁気多極子秩序系Ba1-xKxMn2As2における非線形輸送現象 (2022)
  • 著者名/発表者名: 星野佑斗, 青山拓也, 今井良宗, 木俣基, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] スピン軌道モット絶縁体α-RuCl3における超高速磁気光学応答 II (2022)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 後藤貫太, 中村優斗, 岸田英夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 高圧下で合成したハニカム格子物質Ru(Br1-xIx)3の電子物性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤楓貴, 今井良宗, 藤原秀行, 青山拓也, 那波和宏, 後藤弘匡, 佐藤卓, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Ru L3端共鳴非弾性X線散乱によるRuX3 (X = Br，I)の多重項の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤原秀行, 佐藤楓貴, H.Gretarsson, B. Keimer, 今井良宗, 大串研也, 鈴木博人
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 梯子型鉄系化合物BaFe2(S1-xTex)3の高圧下電気抵抗測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川口航平, 今井良宗, 青山拓也, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 梯子型鉄系化合物 BaFe2X3 (X = S, Se) の圧力下磁気輸送特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青山 拓也，今井 良宗，大串 研也
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] 高圧合成法を用いた新規レニウム塩化物の探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野 友裕，今井 良宗，大串 研也
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] ハニカム格子物質 Ru(Br1－xIx)3 における金属絶縁体転移 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤楓貴
  • 学会等名: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」 第2回量子物質開発フォーラム
• [学会発表] RuX3(X=Br,I)の高圧下電気抵抗測定と結晶構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤楓貴, 今井良宗, 青山拓也, 河口沙織, 大串研也
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会