フラストレーションが創るスピンテクスチャ

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06137
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 川村 光 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 客員教授 (30153018)
• 研究分担者: 石渡 晋太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00525355) ; 青山 和司 大阪大学, 理学研究科, 助教 (00623133) ; 富安 啓輔 株式会社日産アーク(マテリアル解析部、デバイス機能解析部), マテリアル解析部、デバイス機能解析部, 主任研究員 (20350481) [辞退] ; 鳴海 康雄 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (50360615) ; 高阪 勇輔 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60406832) ; 南部 雄亮 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60579803) ; 太田 仁 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (70194173)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: 磁性 / フラストレーション / スピンテクスチャ / トポロジー / スカーミオン / Z2 渦 / カイラリティ / 多重Q 秩序

研究実績の概要

競合する相互作用を有するフラストレート磁性体で出現するZ2渦や対称的スカーミオンなどのナノスケールのスピンテクスチャを理論実験の緊密な協力による探査を行った。Z2渦に関しては、J-PARC, DNAでの中性子準弾性散乱実験と大規模スピンダイナミクスシミュレーションの協働により、3角格子磁性体NaCrO2において、自由Z2渦起源の極めて幅の狭い（交換相互作用Jに対して～0.001J程度の幅）準弾性散乱ピークが中間温度においてのみ出現することを見出し、自由Z2渦とZ2渦転移の直接観測に成功した。また別の3角格子磁性体NiGa2S4においても、NISTでの偏極中性子散乱実験と理論シミュレーションの協働により、自由Z2渦に伴うZ2渦転移温度近傍におけるスピン状態異方性の増強の観測に成功した。対称的スカーミオンに関しては、結晶反転心を有しジャロシンスキ-守谷相互作用が抑制された金属積層3角格子磁性体 EuCuSbやRGa2に対し中性子散乱やホール伝導測定を行い、特異な磁気秩序や新奇な伝導現象を観測した。特にNdGa2においては、磁場中のtriple-Q秩序相において対称的なスカーミオン格子／反スカーミオン格子状態が生成されていることの実験的証拠を得た。理論的にも、これら金属スカーミオン系を念頭とした、2次元3角格子および3次元積層3角格子上のRKKYハイゼンベルグモデルの大規模シミュレーションを行い、系の磁気相図を定めた。single-Qやdouble-Q状態に加え磁場中でtriple-Qスカーミオン格子相が安定化されることを確認し、特に3次元のスカーミオン格子相においては、過去ガラス系で活発に研究が進められてきた所謂「レプリカ対称性の破れ（RSB）」現象が起き、そこではtriple-Qスカーミオン格子状態がsingle-Q磁気螺旋状態と巨視的に共存しているという興味深い結果を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] NIST(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NIST
• [雑誌論文] Spin Dynamics Simulation of the Z2-vortex Fluctuations (2022)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Yo P.、Aoyama Kazushi、Tomiyasu Keisuke、Matsuura Masato、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 035001
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.035001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Skyrmion crystal in the RKKY system on the two-dimensional triangular lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsumoto Kota、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 094427
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.094427
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergent skyrmion-based chiral order in zero-field Heisenberg antiferromagnets on the breathing kagome lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Aoyama Kazushi、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 100407
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L100407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Generation and Switching of Topological Quantum Phases in a Trivial Semimetal α-EuP3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Mayo Alex Hiro、Takahashi Hidefumi、Bahramy Mohammad Saeed、Nomoto Atsuro、Sakai Hideaki、Ishiwata Shintaro
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 12 ページ: 011033
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.12.011033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Paramagnetic magnetostriction in the chiral magnet CrNb3S6 at room temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Mito Masaki、Tajiri Takayuki、Kousaka Yusuke、Togawa Yoshihiko、Akimitsu Jun、Kishine Jun-ichiro、Inoue Katsuya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 104412
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of topological Z2 vortex fluctuations in the frustrated Heisenberg magnet NaCrO2 (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tomiyasu, Y.P. Mizuta, M. Matsuura, K. Aoyama, H. Kawamura
  • 雑誌名: arXiv: cond-mat 巻: 2110 ページ: 15068
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Replica symmetry breaking in the RKKY skyrmion-crystal system (2021)
  • 著者名/発表者名: Mitsumoto Kota、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 184432
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.184432
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of spin-lattice coupling and a magnetic field in classical Heisenberg antiferromagnets on the breathing pyrochlore lattice (2021)
  • 著者名/発表者名: Aoyama Kazushi、Gen Masaki、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 184411
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.184411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Frustration-induced Quantum Spin Liquid Behavior in the <i>s</i> = 1/2 Random-bond Heisenberg Antiferromagnet on the Zigzag Chain (2021)
  • 著者名/発表者名: Uematsu Kazuki、Hikihara Toshiya、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 124703
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.124703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hedgehog-lattice spin texture in classical Heisenberg antiferromagnets on the breathing pyrochlore lattice (2021)
  • 著者名/発表者名: Aoyama Kazushi、Kawamura Hikaru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 014406
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.014406
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-induced successive phase transitions in the J1-J2 buckled honeycomb antiferromagnet Cs3Fe2Cl9 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishii Y.、Narumi Y.、Matsushita Y.、Oda M.、Kida T.、Hagiwara M.、Yoshida H. K.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 104403
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.104433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ellipsoidal Cycloidal Magnetic Structures in Cr1-xMoxB2 Revealed by Neutron Diffraction and Polarimetry Experiments (2021)
  • 著者名/発表者名: Kousaka Yusuke、Kaya Emi、Watabe Yasuo、Ichikawa Hirohiko、Kimura Hiroyuki、Noda Yukio、Takeda Masayasu、Kakurai Kazuhisa、Nishi Masakazu、Togawa Yoshihiko、Akimitsu Jun
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 094711
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.094711
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formations of Narrow Stripes and Vortex-Antivortex Pairs in a Quasi-Two-Dimensional Ferromagnet K2CuF4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Togawa Yoshihiko、Akashi Tetsuya、Kasai Hiroto、Paterson Gary W.、McVitie Stephen、Kousaka Yusuke、Shinada Hiroyuki、Kishine Jun-ichiro、Akimitsu Jun
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 014702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.014702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal linear dichroism observed in electron spin resonance spectra of the magnetoelectric multiferroic Pb(TiO)Cu4(PO4)4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Akaki Mitsuru、Kimura Kenta、Kato Yasuyuki、Sawada Yuya、Narumi Yasuo、Ohta Hitoshi、Kimura Tsuyoshi、Motome Yukitoshi、Hagiwara Masayuki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: L042043
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.L042043
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous control of classical-quantum crossover by external high pressure in the coupled chain compound CsCuCl3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Daisuke、Sakurai Takahiro、Okuto Ryosuke、Okubo Susumu、Ohta Hitoshi、Tanaka Hidekazu、Uwatoko Yoshiya
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 4263
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24542-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] First ESR Detection of Higgs Amplitude Mode and Analysis with Extended Spin-Wave Theory in Dimer System KCuCl3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Masashige、Sakurai Takahiro、Hirao Yuki、Ohta Hitoshi、Uwatoko Yoshiya、Tanaka Hidekazu
  • 雑誌名: Applied Magnetic Resonance 巻: 52 ページ: 523～564
  • DOI: 10.1007/s00723-020-01302-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] THz ESR Study of Peculiar Co Pyrochlore System GeCo2O4 Using Pulsed High Magnetic Field (2021)
  • 著者名/発表者名: Okubo Susumu、Ohta Hitoshi、Ijima Tatsuya、Yamazaki Tatsuya、Zhang Wei-min、Hara Shigeo、Ikeda Shinichi、Oshima Hiroyuki、Takahashi Miwako、Tomiyasu Keisuke、Watanabe Tadataka
  • 雑誌名: Applied Magnetic Resonance 巻: 52 ページ: 411～424
  • DOI: 10.1007/s00723-020-01295-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutron Scattering Study on Yttrium Iron Garnet for Spintronics (2021)
  • 著者名/発表者名: Nambu Yusuke、Shamoto Shin-ichi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 081002～081002
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.081002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetization Process in EuCo2P2 and EuT2Ge2 (T: transition metal): Comparison of Experiment and Theory (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Tetsuya、Tahara Time、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki、Kindo Koichi、Iha Wataru、Ashitomi Yousuke、Yara Tomoyuki、Nakashima Miho、Amako Yasushi、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 034709～034709
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.034709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Properties of S = 1/2 Distorted Kagome Antiferromagnet CdCu3(OH)6Cl2 with Low-Symmetry Orbital Arrangement (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hiroyuki K.、Noguchi Naoya、Ishii Yuto、Oda Migaku、Chen Jie、Yamaura Kazunari、Yamashita Satoshi、Nakazawa Yasuhiro、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 044714～044714
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.044714
  • 査読あり
• [学会発表] 積層3 角格子ハイゼンベルグ反強磁性体におけるスカーミオン格子ガラス状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青山和司、光元亨汰, 川村光
  • 学会等名: 日本物理学会 第77 回年次大会
• [学会発表] Frustration-induced spin textures (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kawamura
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Search for topological spin structures in centrosymmetric perovskite oxides (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ishiwata
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Possible chirality-driven topological transition on a triangular lattice (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nambu
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of topological Z2 vortex fluctuations in the frustrated Heisenberg magnet NaCrO2 by quasi-elastic neutron scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Tomiyasu
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Eu-based semimetal as a possible centrosymmetric topological magnet (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Takahashi
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-field magnetism of the diamond-lattice magnet MnSc2S4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Narumi
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Incommensurate magnetism in the centrosymmetric magnet NdGa2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nambu
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会
• [学会発表] Chiral-degenerate skyrmion crystal in frustrated RKKY Heisenberg model (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Mitsumoto
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neutron diffraction study on the centrosymmetric itinerant magnet PdGa2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Kawamata
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures
  • 国際学会
• [学会発表] 偏極中性子弾性散乱によるZ2 渦転移の検出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 南部雄亮、青山和司、川村光、Y. Qiu、T.R. Gentile、 W.C. Chen、S. Watson、C. Broholm
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 三角格子スピンフラストレーション系NaCrO2 の中性子準弾性散乱 (2021)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔、水田耀ピ エール、松浦直人、高阪勇輔、青山和司、川村光
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 三角格子反強磁性体におけるZ2 渦転移と磁気相関の異方性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青山和司、南部雄亮、川村 光
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] New Magnetic Phases in Chiral Inorganic Magnetic Compounds Probed by Neutron Diffraction Technique (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Kousaka, K. Ohishi, K. Prokes, O. Prokhnenko, F. Yokaichiya, E. V. Altynbaev, S. V. Grigoriev, J. Campo, J Akimitsu, and Y. Togawa
  • 学会等名: the 7th International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Probing Spins with Neutrons from their Arrangement to Precessional Motion (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nambu
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2021
  • 招待講演
• [学会発表] High-field magnetism of the triangular lattice antiferromagnet CsCuCl3 under high pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Nihongi, T. Kida, Y. Narumi, J. Zaccaro, Y. Kousaka, K. Inoue, K. Kindo, M. Hagiwara
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2021
• [学会・シンポジウム開催] International Conference on Frustration, Topology and Spin Textures (2021)