| 研究課題/領域番号 |
23KJ2165
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 国内 |
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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 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
小野 凌太 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 特別研究員(PD)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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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 |
2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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)
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| キーワード | マルチフェロイクス / 磁性体 / 強相関系 / 第一原理計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
物質の結晶構造と磁性は深く関わっている。例えば、CsO2という物質では、温度による結晶構造の変化に起因する磁性相互作用の複雑な変化が実験的に観測されている。しかしながら、これらの関係は格子と磁性という二つの自由度が複雑に関わっているため、微視的な観点から理解することは困難である。そこで、本研究では、格子と磁性の相互作用の理論模型を、経験的なパラメーターを用いない第一原理計算から導出する手法を提案する。また、提案した手法を用いて磁性体であるCr2O3やCsO2、SrCu2(BO3)2の格子ー磁性模型を計算し、詳しく解析することによって、有限温度などでの新奇磁気構造の可能性を議論する。
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| 研究実績の概要 |
ニッケル酸化物S=1マルチフェロイクスでの電気磁気効果の研究：まず、実験で得られていたコランダム構造を用いてNiのeg軌道の低エネルギーハバード模型を構築し、現実的スピン模型を構築した。このスピン模型を解き、磁気基底状態がサイクロイド型の螺旋磁気構造で与えられることがわかった。またこの磁気構造に外部磁場を印加することによって湯川ポテンシャルを生じる磁気ねじれが生じることが分かった。また、実験で観測されていた電気磁気効果を理論的に説明した。この結果は複数の学会で発表され、雑誌（npj spintronics）の論文として受理された。
アルカリ超酸化物CsO2での多自由度の解析：まず、低温での結晶構造を用いてCsO2における酸素分子のπ*軌道の現実的なハバード模型を構築したところ、S=1/2が存在している軌道に特異な軌道秩序があることが分かった。また、超交換理論を用いて異方的な磁性相互作用からなる現実的なスピン模型を計算し、磁気基底状態を計算したところ、傾いた反強磁性状態が得られた。さらに、外部磁場印加時の磁気構造誘起された電気分極を計算した。これを解析したところ、基底状態では磁気構造が反転対称性と時間反転対称性の積を持つことから電気分極がゼロになり、外部磁場を印加するとその対称性が破れ、電気分極が発生することが明らかになった。これらの解析から、CsO2は軌道・磁気・電気秩序の多自由度を同時に併せ持つ特異な物質になりえることが明らかになった。この結果は複数の学会で発表された。
ニッケル酸化物におけるマグネトフォノニクスの研究：まず、第一原理計算と制限されたDFPT計算で得られる電子―フォノン相互作用から拡張されたハバード模型を構築するプログラムを開発した。これを用いてニッケル酸化物において磁気相互作用の温度依存を計算したところ、線型的な変化があることが分かった。
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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
今年度はニッケル酸化物マルチフェロイクスやアルカリ超酸化物に対して多くの結果を得ることができ、おおむね満足できるような研究業績をあげることができたと考えられる。
メインの課題であった電子ー格子相互作用を拡張されたハバード模型に取り込むプログラムはすでに開発し、NiOといった物質ですでに応用された。
またそのような拡張されたハバード模型から磁気相互作用の模型を構築するのもすでに可能になっている。
しかしながら、制限されたDFPTの手法からフォノンを計算したときに、選んだ制限によって物理的に正しくない負の周波数を持つフォノンが現れるなど、テクニカルな問題が未だにある。
また、S=1/2ではない系での異方的相互作用の超交換理論についても未だテクニカルな課題が残っている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今までの研究で特に分かったことは、制限されたDFPTによるマグネトフォノニクスの計算は計算する系を慎重に選ばないといけないということである。
例えば、エンタングルメントの無いバンド構造、模型のバンド以外がフェルミエネルギー上にない事、S=1/2であること等である。
今後は一旦これらを満たす系に着目して研究を行っていく計画である。
具体的な内容としては、アルカリ超酸化物での磁性ー格子相互作用（NaO2でのスピンーパイエルス転移）やSnCuO2における強誘電ドメインウォールでの特異な磁性状態の解析を行っていく。
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