偏極中性子散乱を主軸とした従来型スピントロニクスの微視的理解と次世代型機構の確立

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H03732
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 南部 雄亮 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60579803)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 物性実験 / 偏極中性子散乱 / スピントロニクス

研究実績の概要

偏極中性子散乱に係る中性子偏極率の補正について解析的な数式を導出し、Y3Fe5O12を用いて測定したデータに適用することで、完全な補正を実現した。この成果はJ. Phys. Conf. Ser.に出版される。また、4f電子を持つTb3Fe5O12について、偏極中性子非弾性散乱実験をオーストラリアANSTOにて行い、マグノン極性を調べた。その結果、各マグノンモードにおいてマグノン極性が反対方向を向くこと、磁気補償温度を境に反転することを明らかにした。
スピンの高次自由度が担うトポロジカル転移について、論文を投稿した。NiGa2S4の偏極中性子散乱の結果から、面内と面直の磁気モーメント成分を分離し、異常温度を境としてその異方性が変化することを突き止めた。このような異常は磁気秩序や他の機構にも例がなく、ベクトルスピンカイラリティ渦によるKosterlitz-Thouless的凝集転移に起因することを明らかにした。類似物質のFeGa2S4では、非弾性中性子散乱実験をチョッパー分光器と後方散乱装置を用いて行い、カイラリティ渦の自由運動と相関する強度の温度変化が理論予想と整合することを突き止めた。
反強磁性スピントロニクスについて、モデル物質を対象として単結晶回折実験を行った。誘起弱強磁性ドメインを揃えるため、永久磁石による磁場印加状態で測定を行い、ジャロシンスキー・守谷相互作用の定量解明を行った。さらに、偏極中性子散乱を用いたマグノン極性測定をANSTOにおいて行い、反強磁性体において初めてマグノン極性を明らかにした。
バルク物性測定環境の整備として、現有の物性測定装置に新たな試料インサートを作製し、ホール効果、スピン流、誘電率・分極の測定環境を整備した。

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

当初研究課題に対して、本研究の遂行はおおむね順調に推移している。

今後の研究の推進方策

フォノンの群速度によるスピン流寿命の増大が、マグノン・ポーラロン機構として提唱されている。この条件に合致する磁場値においてPx中性子偏極を用いたマグノン極性の（Q, E）走査を行った。今後は現在進行中のデータ解析を完了させる。具体的には、分解能関数畳み込み後の磁気ピーク幅の逆数からマグノン拡散長・寿命の定量評価を行い、磁場の関数としてマグノン寿命の増大を確認する。
反強磁性スピントロニクスについて、偏極中性子非弾性散乱実験によるマグノン極性測定を再度行い、結果を確実なものにする。前回の実験では中性子束が不充分であり、中性子偏極の時間変化も問題であった。次回の実験ではこれらを解決した上で精度の高い議論を進める。また、スピン運動量ロッキングのさらなる測定を進める。
高次自由度スピントロニクスについて、三角格子反強磁性体NiGa2S4・FeGa2S4においてスピンカイラリティによるトポロジカル転移を明らかにした。並行して、誘電率・でき分極測定、および非局所スピン流測定をNiGa2S4とFeGa2S4を対象に行い、高次自由度による誘起電気分極やスピン流伝搬を実証する。

研究成果

• [国際共同研究] NIST Center for Neutron Research/Oak Ridge National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NIST Center for Neutron Research/Oak Ridge National Laboratory
• [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: ANSTO
• [国際共同研究] Institut Laue-Langevin(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institut Laue-Langevin
• [雑誌論文] Breakdown of linear spin-wave theory and existence of spinon bound states in the frustrated kagome-lattice antiferromagnet (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Matan, T. Ono, K. Nakajima, Y. Nambu, T. J. Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 134403
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.134403
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of Hydride-Doped Perovskite Stannate with Visible Light Absorption Capability (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Nakamura, H. Akamatsu, K. Fujii, Y. Nambu, Y. Ikeda, T. Kanazawa, S. Nozawa, M. Yashima, K. Hayashi, K. Maeda
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 61 ページ: 6584-6593
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c00398
  • 査読あり
• [雑誌論文] SrV0.3Fe0.7O2.8: A Vacancy-Ordered Fe-Based Perovskite Exhibiting Room-Temperature Magnetoresistance (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Nagase, T. Nishikubo, M. Fukuda, Y. Sakai, K. Shigematsu, Y. Ikeda, Y. Nambu, Q. Zhang, M. Matsuda, K. Mibu, M. Azuma, T. Yamamoto
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 61 ページ: 8987-8991
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c01137
  • 査読あり
• [雑誌論文] Higher-order modulations in the skyrmion lattice phase of Cu2OSeO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: J. D. Reim, S Matsuzaka, K. Makino, S. Aji, R. Murasaki, D. Higashi, D. Okuyama, Y. Nambu, E. P. Gilbert, N. Booth, S. Seki, Y. Tokura, T. J Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 104406
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.104406
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Partial breakdown of translation symmetry at a structural quantum critical point associated with a ferroelectric soft mode (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishii, A. Yamamoto, N. Sato, Y. Nambu, S. Ohira-Kawamura, N. Murai, K. Ohara, S. Kawaguchi, T. Mori, S. Mori
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 134111
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.134111
  • 査読あり
• [学会発表] 中性子を用いた構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 南部雄亮
  • 学会等名: 学術変革領域研究A「超セラミックス」第2回領域会議
• [学会発表] Magnon dispersions in a Dresselhaus antiferromagnet (2023)
  • 著者名/発表者名: X. Pang, M. Kawamata, T. Hong, T. J. Williams, M. Fujita, Y. Nambu
  • 学会等名: The 45th Annual Condensed Matter and Materials Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 超高速プロトン伝導性を示す新物質の発見と構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森川里穂, 村上泰斗, 藤井孝太郎, Maxim Avdeev, 南部雄亮, 池田陽一, 八島正知
  • 学会等名: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 偏極中性子散乱装置POLANOによる交差相関物理の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 横尾哲也, 伊藤晋一, 植田大地, 金子直勝, 猪野隆, 山内沙羅, 林浩平, 奥隆之, 林田洋寿, 藤田全基, 大河原学, 池田陽 一, 南部雄亮, 谷口貴紀
  • 学会等名: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] 東北大金研装置群の現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: 南部雄亮
  • 学会等名: 物性研短期研究会 中性子散乱研究会-海外実験支援プログラムの成果報告と、再稼働したJRR-3 の現在地-
  • 招待講演
• [学会発表] Microscopic views of the spin current carrier in insulating spintronic materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Nambu
  • 学会等名: Magnetic and Optics Research International Symposium (MORIS) 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Inelastic Neutron Scattering Spectrometers in JRR-3 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Masuda, H. Kikuchi, S. Asai, T. Nakajima, T.J. Sato, T. Taniguchi, Y. Ikeda, Y. Nambu, M. Fujita, K. Ohoyama, K. Iwasa, O. Yamamuro, T. Osakabe, K. Kaneko, H. Yamauchi, M. Hagihala, K. Nakajima, L. Harriger, I. Zaliznyak
  • 学会等名: QENS/QINS 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ミュオンスピン回転法からみたYbCu4Auの量子臨界現象の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大里耕太郎, 谷口貴紀, 池田陽一, 南部雄亮, 郷地順, 上床美也, D. P. Sari, 渡邊功雄, 幸田章宏, 藤田全基
  • 学会等名: 第142回東北大学金属材料研究所講演会
• [学会発表] Observation of the spin-current carrier with Px polarized neutrons (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Nambu
  • 学会等名: Polarized Neutrons for Condensed-Matter Investigations
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 研究紹介「中性子を用いた構造解析」 (2022)
  • 著者名/発表者名: 南部雄亮
  • 学会等名: 学術変革領域研究A「超セラミックス」オンラインキックオフ
• [学会発表] Single crystal growth and magnetism of YbCu4Au (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Taniguchi, K. Osato, Y. Nambu, Y. Ikeda, J. Gouchi, Y. Uwatoko, S. Kittaka, T. Sakakibara, D. Puspita Sari, I. Watanabe, A. Koda, M. Fujita
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum critical phenomena in heavy fermion compound YbCu4Ni (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Osato, T. Taniguchi, Y. Ikeda, Y. Nambu, J. Gouchi, Y. Uwatoko, D. Puspita Sari, I. Watanabe, A. Koda, M. Fujita
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Powder neutron diffraction of the new Dresselhaus magnet Sr2MnGe2S6O (2022)
  • 著者名/発表者名: X. Pang, M. Kawamata, M. Fujita, Y. Nambu
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Inelastic neutron scattering study on the two-dimensional triangular antiferromagnet FeGa2S4 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Tang, Y. Kawamoto, M. Kawamata, K. Nakajima, M. Matsuura, M. Fujita, Y. Nambu
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場誘起量子臨界性を示すYbCu4AuのmuSRによる逐次転移の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷口貴紀, 大里耕太郎, 岡部博孝, 池田陽一, 南部雄亮, Dita Puspita Sari, 渡邊功雄, 幸田章宏, 藤田全基
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 中性子回折とミュオンスピン回転法による重い電子系YbCu4Niの極低温磁性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大里耕太郎, 谷口貴紀, 岡部博孝, 池田陽一, 南部雄亮, 郷地順, 上床美也, D. P. Sari, 渡邊功雄, 幸田章宏, 藤田全基
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 装置連携による分解能関数の導出とS(Q)の定量評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本田孝志, 南部雄亮
  • 学会等名: 2022年度NOVA S1型課題（2019S06）研究会
• [学会発表] 金研三軸型中性子分光器T1-2 AKANEの2022年における現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷口貴紀, 池田陽一, 大河原学, 岡部博孝, 高田秀佐, 南部雄亮, 藤田全基
  • 学会等名: 第143回金属材料研究所講演会
• [備考] 宇宙産業等への応用が期待！
  • URL: http://www.imr.tohoku.ac.jp/ja/news/results/detail---id-1469.html
• [備考] Partial breakdown of translation symmetry
  • URL: http://www.imr.tohoku.ac.jp/en/news/results/detail---id-1469.html
• [備考] 構造量子臨界点付近の結晶性固体Ba1-xSrxAl2O4が結晶・非晶質両方の性質を併せ持つことを発見
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/10/press20221028-02-ferroelectrics.html