| 研究課題/領域番号 |
15K05149
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| 研究機関 | 明治大学 |
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研究代表者 |
安井 幸夫 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (80345850)
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| 研究分担者 |
菊地 淳 明治大学, 理工学部, 専任教授 (90297614)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | ハニカム格子 / 粉末中性子回折 / 磁気特性 / 磁気構造 / 元素置換効果 |
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| 研究実績の概要 |
(1) Li3Ni2SbO6はTN=13.5Kで反強磁性転移を起こすが、転移温度以下での磁気構造は分かっておらず、さらに磁化曲線にはHc1=6TとHc2=16Tの2つの特徴的な磁場で異常が観測されており、これらの異常の正体を調べた。まず磁場配向試料を作成し、磁化曲線を詳しく調べた。その結果、Hc1=6Tでの磁化曲線の異常は、H//(ハニカム面間方向)では顕著に異常が出現するが、H//(ハニカム面内方向)では異常が現れないことがわかった。一見するとスピンフロップの際の磁化曲線の振舞いと似ているが、定量的な解析によりスピンフロップでは説明できないことがわかった。ゼロ磁場下での中性子回折実験より、h±ö k l (ö~1/6)の指数で磁気反射を観測したので磁気構造を解析しているが、6倍周期をもつシンプルなヘリカル構造やサイン波的構造では実験結果を説明できない。7Li核の核磁気共鳴(NMR)の実験結果と合わせて解析を進めている。
(2) Li3Co2SbO6はTN=110Kで反強磁性転移を起こすことがわかり、LiサイトをNaサイトに全置換したNa3Co2SbO6の反強磁性転移温度TN=7Kと比べて2桁も違うので、その結晶構造や磁気構造を詳しく調べた。その結果、Li3Co2SbO6は2次元的なハニカム構造ではなく、Fddd構造と呼ばれる3次元的な結晶構造を持つことがわかった。磁場配向試料を作成し結晶軸と磁場方向を指定して磁化曲線を詳しく測定した結果、b軸方向が磁化容易軸を持つことが分かった。Li3Co2SbO6のCoは4配位であり、CoO6八面体の連なり方としては2つのcorner-shareと2つのedge-shareで結びついている。中性子回折実験を行い、磁化容易軸の情報や結晶構造の特徴を考慮した上で磁気構造解析を行った結果、磁気構造を決めることができた。
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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
本研究は、(i) 磁性イオンNi2+およびCo2+スピンがハニカム格子を形成する磁性体A3T2A’O6(A=Li, Na, A’=Sb, Bi)の多結晶試料を合成し、(ii) 磁化率・比熱等の温度依存性や磁場依存性の測定を行うとともに、(iii) X 線回折実験・中性子回折実験・中性子非弾性散乱実験・核磁気共鳴(NMR)実験による微視的な測定を行い、ハニカム格子の構造上の特徴に起因する特異な磁気構造や磁気ダイナミクスを調べてきた。
2016年度はLi3Ni2SbO6とLi3Co2SbO6の物性研究を重点的に行った。これらの試料の多結晶試料を作成し、磁場配向試料による磁化測定、磁化率・比熱測定、粉末中性子回折実験、X線結晶構造解析、7Li核のNMR等の各種の物性測定により、結晶構造の特徴や磁気的振る舞いを理解することが出来た。一方では、Li3Ni2SbO6のゼロ磁場下の磁気構造がいまだに決定できていない。また、Li3Co2SbO6は2次元的なハニカム構造ではなく、Fddd構造と呼ばれる3次元的な結晶構造を持つことがわかったが、Fddd構造をもつ磁性体の磁気的振る舞いの報告はないので、その典型例としてLi3Co2SbO6の磁性研究を展開した。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) Li3Ni2SbO6はハニカム格子として初めての長周期の磁気構造をもつ物質例であるので、その詳しい磁気構造を決定する。ハニカム格子をもつスピン系に対して様々な理論的研究がなされており、最近接交換相互作用J1だけでなく、次近接交換相互作用J2, 第3近接交換相互作用J3を加えると長周期の磁気構造を持つことが理論的に提案されているので、理論的な提案を踏まえた上で磁気構造の解析を行う。
(2) Li3Ni2SbO6とNa3Ni2SbO6はともに磁化曲線に2つの異常があるので、磁場配向試料を用いて高磁場までの磁化曲線を測定し、その起源を調べる。
(3) SbサイトにBiを全置換すると、Bi5+のイオン半径がSb5+と比べて大きいためにハニカム格子の格子間隔を拡げる効果があるので、スピン間相互作用を大きく変える可能性が高い。よって、SbサイトをBiで置換した一連の物質群の多結晶試料を作成し、X線回折実験や磁化率・磁気比熱測定などを行い、結晶構造や磁気特性に対するBi置換効果を明らかにする
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| 次年度使用額が生じた理由 |
ハニカム格子化合物の中性子回折実験を海外の実験施設（スイス、Paul Scherrer Institute）で計画し、ビームタイムの申請を行ったが採択されなかったので、その分の旅費が未使用のまま残った。また、研究を効率よく行うために研究補助員を雇うことを予定していたが、適任者がおらず人件費を使用しなかった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
スイス、Paul Scherrer Instituteに中性子回折実験のビームタイムの申請を行ったところ、採択の連絡が来たので、次年度使用額をその旅費として使用する予定である。
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