| 研究課題/領域番号 |
19K21858
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
望月 維人 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80450419)
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| 研究分担者 |
勝藤 拓郎 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00272386)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| キーワード | 負熱膨張 / 逆ペロフスカイト構造 / マンガン窒化物 / フラストレーション |
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| 研究実績の概要 |
研究代表者（望月）が昨年提唱した「逆ペロフスカイト型マンガン窒化物における磁性誘起の負熱膨張現象」の理論をさらに深化・発展させ、この物質群における「様々な磁気秩序」と「負熱膨張発現の可否」を、系統的に説明することに成功した。これにより、研究代表者が構築した理論による包括的な理解の整理が完成したと言える。これらの考察や検証に基づき、「現代化学誌」や「日本物理学会誌」に解説記事を執筆した。同時に、この重要で奥の深い現象を本当に理解するために、検証が必要な様々な問題点や謎を洗い出した。特に重要な問題として、研究代表者の理論研究では、金属磁性体である本物質群を、局在スピンモデル（古典ハイゼンベルグ模型）で取り扱っている。これはこの物質の金属伝導はマンガンの4s軌道電子が担っているのに対し、Mn3d軌道の電子スピンは局在電子として振る舞っているという素朴な仮説に基づいている。この仮説は、非共線的磁性を取り扱える第一原理計算手法等による、電子構造および磁気構造の計算から検証されるべきものである。また、研究代表者の理論では特異な反強磁性秩序の発現は「負熱膨張現象」が起こるための必要条件であり、Mnスピン間の複数の交換相互作用がある条件を満たさないと負熱膨張が起こらないことが予測されている。この理論予測を、同じく非共線的磁性を取り扱える第一原理計算手法による「交換相互作用係数の微視的な計算」と「実験研究」との連携により検証していく必要がある。今年度は、第一原理計算の研究者とそのような研究計画を詰めるところに時間を割いたが、来年度はいよいよ、それが成果として結実させる。また、研究代表者の理論から予測される「新しい磁性誘起の負熱膨張物質」の探索のための指針を、物質合成と結晶構造測定を担当する研究分担者の勝藤と共有し、いくつかの遷移金属酸化物系で物質探索を行ったが、新物質の発見には至らなかった。
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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
研究代表者（望月）が構築した基礎理論を用いて、逆ペロフスカイト型マンガン窒化物が示す「Γ5g型反強磁性秩序」、「Γ4g型反強磁性秩序」、「強磁性秩序」などの多彩な磁気秩序の発現や、Γ5g型反強磁性秩序の存在下で、マンガンスピン間に働く交換相互作用ある条件を満たした場合に「負の熱膨張」が引き起こされることを系統的に説明・解明したことは、本年度の研究の重要な成果である。また、この理論を用いて、これらの物質群や固溶体で実験的に観測・報告されている実験事実や実験結果を余すところなく説明し、包括的な理解に至ったことも特筆に値する成果と言える。さらに、半世紀以上もの長い歴史を持つこの重要な研究分野におけるブレイクスルーを二本の解説記事として発表したことも、分野を牽引・開拓する重要な意義を持つと考えている。このように、本年度の研究では、基礎学理の構築という点では大きな成果を上げ、一定の進捗を得ることができたと自負している。しかし一方で、新物質探索・開発は、なかなかうまくいかずに苦労をしている。理論から予測される「新しい磁性誘起負熱膨張物質」の探索のための指針を、物質合成と結晶構造測定を担当する研究分担者の勝藤と共有し、実際にいくつかの遷移金属酸化物系の磁性体で結晶構造体積の温度依存の精密測定を行ったが、いまだに新物質の発見には至っていない。物質開発や物質探索はなかば運や賭けに近い側面もあることは否定できないが、負の熱膨張研究の発展のためには「新しい物質」の発見は必要不可欠であり、昨年度の1年間の研究ではその点が達成できなかったことには、少々忸怩たる思いがある。
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| 今後の研究の推進方策 |
「磁性が誘起する負の熱膨張現象」の研究にブレイクスルーをもたらした研究代表者の基礎理論をさらに深化・発展させるべく、この理論が立脚した「仮説」や「モデル」の正当性や、導き出された条件や結論の妥当性を、第一原理計算などを用いたバイアスのない電子状態計算で検証・立証していくことが次の重要な課題となる。また、「d-p軌道混成強度」や「電荷移動エネルギー」、「結晶構造・対称性」など、負の熱膨張を引き起こす新しい条件やファクターを、電子状態計算や微視的なモデル計算で明らかにしていくことも次に取り組むべき重要な課題である。特に、「物質固有の結晶構造、電子構造、磁気構造を真面目に考慮し、磁性・電荷・軌道と結晶格子の結合を微視的に捉えることで、磁性誘起の負熱膨張、さらには、「軌道秩序」や「電荷秩序」など磁気秩序以外の長距離秩序が「格子との結合」を通じて負熱膨張を引き起こす可能性も検証・考察していく。そして、本研究課題において「物質合成」と「結晶構造測定」、その他の実験・測定を担当する研究分担者（勝藤）と緊密に連携し、遷移金属酸化物系のみならず、様々な磁性体を対象に広く物質探索を行って、新しい負の熱膨張物質の発見を目指していく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
申請段階では物質設計のための電子状態計算を行う計算機システムの購入を初年度に計画していた。しかし、IntelのCPUプロセッサーが現行の第９世代から第10世代に2020年5月20日に更新され、計算能力が大幅に向上するコンピュータが発売される予定であることが分かったため、初年度は既存の計算機システムを用いてできる予備的な計算により、広く可能性のある物質のサーベイを行い、詳細で高度な電子状態計算は、次年度に第10世代CPUを搭載した計算機を購入して行う計画にした。また、参加を予定していた、国際会議（ICSM2019等）や日本物理学会年次大会が新型コロナウイルス感染拡大のため、軒並み中止になり、出張旅費として計上していた予算を使用しなかった。この分の予算を計算機システム購入のため予算補充と、オープンアクセス誌への論文投稿料に振り替える。特に、当初申請段階では、オープンアクセス誌への投稿はあまり想定していなかったが、本研究の成果を広く世界に知らしめるのに有効であることや、学会出張旅費の支出が減った分を用いて、積極的にオープンアクセス誌への投稿を発表することにした。
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