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準結晶・近似結晶におけるトポロジカル電子物性の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 23K22441
補助金の研究課題番号 22H01170 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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
研究機関九州工業大学

研究代表者

渡辺 真仁  九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (40334346)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)
2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
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: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
キーワード準結晶 / 近似結晶 / 結晶場 / トポロジカルチャージ / 磁気異方性 / ヘッジホッグ / 静的磁気構造因子 / 動的磁気構造因子 / 非相反磁気励起 / 磁気秩序 / 希土類 / トポロジカル数 / 20面体 / 非共線・非共面磁気構造 / ダイナミクス
研究開始時の研究の概要

希土類系準結晶と近似結晶の結晶場を理論的に解明し、結晶場基底状態の磁気異方性を明らかにする。磁気異方性の効果を取り入れた有効磁気模型を構築し、20面体の磁気構造およびトポロジカル数を明らかにする。さらに近似結晶、準結晶の磁気構造を解明し、トポロジカルな性質を明らかにする。

研究実績の概要

周期性をもたない結晶構造をもつ準結晶では、周期結晶では許されない5回回転対称性などの特有の回転対称性をもつ。準結晶でどのような電子状態が実現し、物性を発現するかは不明な点も多く、その解明は物性科学のフロンティアである。特に準結晶において磁気長距離秩序が実現するか否かはこれまで未解明の重要な問題であった。最近、希土類系準結晶Au65Ga20R15 (R=Tb, Gd)において強磁性長距離秩序が実験により発見され、大きな注目を集めている。
これまで研究代表者により、希土類系準結晶の希土類原子サイトの結晶場による磁気異方性の効果を取り入れた有効磁気模型に基づいて、希土類系準結晶および近似結晶の磁気構造の理論解析が行われた。その結果、希土類原子がその頂点に位置する20面体上で、ヘッジホッグ状態やフェリ磁性状態、渦巻き状態などの様々な非共線・非共面磁気構造が基底状態として実現することが示された。興味深いことに、ヘッジホッグ状態はトポロジカル数+1の有限のトポロジカル不変量で特徴づけられることがわかった。さらに有効磁気模型を20面体準結晶に適用し、一様なヘッジホッグ秩序相を見出した。
本研究では、この準結晶におけるトポロジカル磁気構造である、ヘッジホッグ秩序相におけるダイナミクスを理解するため、近似結晶において動的磁気構造因子を計算する理論的枠組みの開発に取り組んだ。この方法を用いて、ヘッジホッグ秩序相における動的励起の性質を理論的に明らかにした。

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

トポロジカル磁気構造であるヘッジホッグ秩序相について、近似結晶における非相反磁気励起の出現機構について、理論解析により理解することができた。さらに、準結晶において非相反性が広大な逆格子-エネルギー空間で出現する理由についても準結晶と近似結晶の比較により理解が進展したので、全体的に順調に研究は進展している。

今後の研究の推進方策

今年度明らかにした、ハイパーマテリアルのヘッジホッグ秩序相の静的および動的磁気構造因子を実験研究者に提示し、上記秩序を実現する物質合成、およびその物質における中性子散乱実験による静的および動的磁気構造の観測に向けて、実験研究者と連携して研究を推進していく。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち査読あり 12件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件) 図書 (3件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Dynamical and static structure factors in hedgehog-antihedgehog order in an icosahedral 1/1 approximant crystal2024

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Shinji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 号: 18

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.184404

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetic dynamics and nonreciprocal excitation in uniform hedgehog order in icosahedral 1/1 approximant crystal2023

    • 著者名/発表者名
      Shinji Watanabe
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-023-41292-1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Crystalline Electronic Field and Magnetic Anisotropy in Dy-based Icosahedral Quasicrystal and Approximant2023

    • 著者名/発表者名
      S. Watanabe, T. Iwasaki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.045110

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 準結晶および近似結晶における結晶場 -点電荷モデルによる定式化-2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 雑誌名

      固体物理

      巻: 58 ページ: 195-206

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 量子臨界現象の新展開(その4) 臨界価数ゆらぎによる超伝導発現機構2023

    • 著者名/発表者名
      三宅和正、渡辺真仁
    • 雑誌名

      固体物理

      巻: 58 ページ: 241-248

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature Dependence of Yb Valence in an Au–Al–Yb Intermediate-Valence Quasicrystal Investigated by Yb <i>L</i><sub>3</sub>-Edge X-ray Absorption Near-Edge Structure Spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Watanuki Tetsu、Mizumaki Masaichiro、Watanabe Shinji、Kawamura Naomi、Nitta Kiyofumi、Machida Akihiko、Ishimasa Tsutomu
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 63 号: 10 ページ: 1380-1383

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2022064

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2022-10-01
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetic Dynamics of Hedgehog in Icosahedral Quasicrystal2022

    • 著者名/発表者名
      S. Watanabe
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-19870-6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetic dynamics of ferromagnetic long range order in icosahedral quasicrystal2022

    • 著者名/発表者名
      S. Watanabe
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-14796-5

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pressure dependence of the magnetic ground state in CePtSi22022

    • 著者名/発表者名
      S. E. Dissanayake, F. Ye, W. Tian, M. Matsuda, H. Muto, S. Suzuki, T. Nakano, S. Watanabe, J. Gouchi, and Y. Uwatoko
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 105 号: 24

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.245111

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 準結晶 -非周期秩序構造と物性-2022

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 雑誌名

      化学と教育

      巻: 70 ページ: 598-603

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 準結晶における磁気長距離秩序 -20面体と磁気異方性がもたらす多彩な磁性とトポロジー2022

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 77 ページ: 616-620

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 量子臨界現象の新展開(その3) 価数転移と価数クロスオーバー2022

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁、三宅和正
    • 雑誌名

      固体物理

      巻: 57 ページ: 616-620

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 正20面体準結晶と近似結晶における磁性(理論)2024

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Strongly Correlated Emergent Phenomena in Rare-Earth Based Quasicrystal and Approximant2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      International Workshop on Topology, spin-orbit interactions and superconductivity in strongly correlated quantum materials under extreme conditions (H-Physics)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetism, Topology and Dynamics in Icosahedral Quasicyrstal and Approximant2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      International Conference on Complex Orders in Condensed Matter: Aperiodic Order, Local Order, Electronic Order, Hidden order
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 20面体準結晶の強磁性秩序における磁気ダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 20面体準結晶における結晶場と磁性、トポロジカル磁気構造2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      日本物理学会、領域6 ・領域8 合同セッション(Zoom)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 20面体準結晶と近似結晶における磁性研究の最近の発展2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      第27回準結晶研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Tb系20面体準結晶と近似結晶における磁性とトポロジー2022

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      日本物理学会、領域6 (東京工業大学)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Magnetic long-range order and topology in icosahedral quasicrystal2022

    • 著者名/発表者名
      S. Watanabe
    • 学会等名
      0th International Conference on Aperiodic Crystals (Aperiodic 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 準結晶における磁性とトポロジー2022

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 学会等名
      第16回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線(Zoom)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] Quantum Critical Phenomena of Valence Transition -Heavy Fermion Metals and Related Systems2023

    • 著者名/発表者名
      Shinji Watanabe, Kazumasa Miyake
    • 総ページ数
      215
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9789819935178
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] 固体物理 誌上セミナー 量子臨界現象の新展開 (その4)価数ゆらぎによる超伝導発現機構2023

    • 著者名/発表者名
      三宅和正、渡辺真仁
    • 総ページ数
      8
    • 出版者
      アグネ技術センター
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] 固体物理 準結晶および近似結晶における結晶場 -点電荷モデルによる定式化-2023

    • 著者名/発表者名
      渡辺真仁
    • 総ページ数
      12
    • 出版者
      アグネ技術センター
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 固体物性理論研究室

    • URL

      https://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Tb系20面体準結晶と近似結晶における磁性とトポロジー

    • URL

      https://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/topics.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 準結晶における結晶場の理論の定式化

    • URL

      https://www.mns.kyutech.ac.jp/~swata/topics.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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