結晶カイラリティの定量化とそれに基づくカイラル物性の理解

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K05449
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 木村 健太 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (70586817)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: カイラリティ / ドメイン / 電気磁気効果

研究実績の概要

本年度は、カイラル化合物群A(BO)Cu4(PO4)4（AB系と略記）を対象とした研究を行い、下記の成果を得た。
AB = BaTi系の旋光度とカイラリティ強度の温度変化は、約800度で生じる旋回構造相転移の近傍では良く一致するが、温度低下とともに定性的な不一致を示す。この不一致の起源を明らかにするため、可視光領域における吸収スペクトルの温度依存性を測定した。その結果、昇温による吸収ピークの拡がりに加えて、吸収端波長の大幅なシフトを観測した。旋光分散と吸収スペクトルには相関があることから、旋光度とカイラリティ強度の温度依存性の不一致の要因は吸収スペクトルの温度変化であると考えられる。
PbTi系とSrTi系の電気磁気特性を多角的に調べた。PbTi系においては、磁場誘起強誘電相の性質と微視的起源を実験と理論の両面から解明し、その成果をPhys. Rev. Mater.誌に発表した（Editors’ Choiceに選出）。さらに、この磁場誘起強誘電相において、近赤外領域で約10%にも達する非相反光学効果を観測した。SrTi系においては、磁場誘起の反強誘電相を新たに発見し、その性質および微視的起源に関する研究成果をPRB誌に発表した。
最後に研究期間全体を通じて得られた成果をまとめる。同型の結晶構造を有するカイラル化合物群においてはカイラリティ強度とカイラルドメインの形成様相には相関があり、それが結晶合成方法によらない可能性を示した。また、カイラリティ強度を秩序変数とする旋回構造相転移に近傍では、旋光度とカイラリティ強度の温度変化が良く一致することを示した。さらに、本研究で開発した新物質群AB系が、電気磁気特性の観点から極めて興味深い系であることを明らかにし、当初は予期していなかった様々な成果を得た。新たに採択された基盤Bにおいて、これをさらに発展させる研究を実施する計画である。

研究成果

• [国際共同研究] EPFL/PSI(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: EPFL/PSI
• [国際共同研究] NICPB(エストニア)
  • 国名: エストニア
  • 外国機関名: NICPB
• [国際共同研究] HZDR(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: HZDR
• [雑誌論文] Magnetoelectric behavior from cluster multipoles in square cupolas: Study of Sr(TiO)Cu4(PO4)4 in comparison with Ba and Pb isostructurals (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Yasuyuki、Kimura Kenta、Miyake Atsushi、Tokunaga Masashi、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Akaki Mitsuru、Hagiwara Masayuki、Kimura Shojiro、Kimura Tsuyoshi、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 024415-1-12
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.024415
  • 査読あり
• [雑誌論文] A-cation control of magnetoelectric quadrupole order in A(TiO)Cu4(PO4)4(A=Ba,Sr,and Pb) (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura K.、Toyoda M.、Babkevich P.、Yamauchi K.、Sera M.、Nassif V.、Ronnow H. M.、Kimura T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 134418-1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.134418
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic structural unit with convex geometry: A building block hosting an exchange-striction-driven magnetoelectric coupling (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura Kenta、Kato Yasuyuki、Yamauchi Kunihiko、Miyake Atsushi、Tokunaga Masashi、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Akaki Mitsuru、Hagiwara Masayuki、Kimura Shojiro、Toyoda Masayuki、Motome Yukitoshi、Kimura Tsuyoshi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 ページ: 104415-1-12
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.104415
  • 査読あり
• [雑誌論文] 正四角台塔をユニットに持つ反強磁性体が示す電気磁気効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤康之、木村健太
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 73 ページ: 715-720
  • 査読あり
• [学会発表] Anisotropic DC and optical magnetoelectric responses from magnetic quadrupolar order (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura, T. Katsuyoshi, P. Babkevich, M. Toyoda, K. Yamauchi, H. M. Ronnow, Y. Sawada, S. Kimura, T. Kimura
  • 学会等名: The 8th Indo-Japan Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DC and optical magnetoelectric responses from convex-shaped spin clusters (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura
  • 学会等名: The 2nd Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 正四角台塔型反強磁性体A(TiO)Cu4(PO4)4 (A = Ba, Sr, Pbの磁気相図と電気磁気結合 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村健太, 勝吉司, 三宅厚志, 徳永将史, 松尾晶, 金道浩一, 赤木暢, 萩原政幸, 木村尚次郎, 木村剛
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Anisotropic magnetoelectric response from convex-shaped spin clusters (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kimura, T. Katsuyoshi, P. Babkevich, M. Toyoda, K. Yamauchi, H. M. Ronnow, Y. Sawada, S. Kimura, T. Kimura
  • 学会等名: First Indian Materials Conclave and 30th Annual General Meeting of MRSI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 正四角台塔型反強磁性体Sr(TiO)Cu4(PO4)4の磁場誘起相における電気磁気特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村健太、木村尚次郎、木村剛
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会