中性子散乱による量子磁性研究の新展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00101
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
• 研究分担者: 木村 尚次郎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20379316) ; 速水 賢 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (20776546)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: 中性子散乱 / 量子磁性体 / 磁気対称性 / 磁気準粒子制御

研究実績の概要

研究開始初年度においては、中性子散乱研究において種々の磁性体の磁気対称性決定に関する予備的研究とそこから必要な検出器性能の確定およびその開発を行なった。前者に関しては、高圧合成 Cu2OSeO3 や六方晶量子磁性体 CeVGe3、さらにはシャストレーサザーランド型格子を有する Ce2Pd2Pb 等の磁気回折研究を行なった。これらの結果から、必要な検出器性能の評価を行い、最終的に大立体角を連続的にカバーすることのできる二次元検出器が必要であるとの結論に至った。そこで、協力研究者である木村の協力を得て二次元検出器の開発に着手した。国内（東北大、東大、KEK）のみならず欧州、豪州および韓国の中性子専門家の助力を得て、最終的に二次元検出器での中性子検出に成功した。加えて、量子もつれが発散する量子臨界相が磁化容易軸への磁場で誘起されるS = 1/2 Ising型反強磁性体CsCoCl3の強磁場ESR測定を行い、量子臨界相特有の磁気励起状態であるストリング励起の観測に成功した。理論研究の成果としては、中性子実験から得られるスピン構造を再現するための有効スピン模型構築を行った。特に空間反転対称性を有する磁気スキルミオン物質GdRu2Si2およびEuAl4が示す磁気相図を再現することで、前者においては高次のスピン間相互作用が重要な役割を示すこと、後者においては波数空間における相互作用のフラストレーション効果が重要な役割を示すことを明らかにした。

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

初年度の計画として最も大きな目標であったものは磁気対称性決定に供するための中性子検出器の開発であった。これが種々の困難を乗り越え中性子検出に至ったことは大きな進展であり、一つのマイルストーンを達成したと考えている。また、異なる結晶対称性を持つバラエティに富んだ磁性体の磁気回折実験を行い種々の磁気対称性の決定を行うことに成功したこと、さらに、その経験から、磁気対称性の高効率決定に必要な検出器性能の見積もりを具体的に行うことができたことも大きな成果であると言える。この結果、当初の計画にあった一次元量子もつれの中性子散乱による測定手法検証に多少の遅延があるが、これは当初の研究計画における実験計画が多少前後しただけであり、また量子磁性研究においては電磁波分光で格段の成果が得られていることを考えると大きな問題ではないと判断される。理論研究からは有効スピン模型構築に大きな進展が得られておりこちらも順調に進展していると判断される。

今後の研究の推進方策

二次元検出器に関しては、中性子検出における位置精度やその検出効率等に関してさらなる開発研究を進めるとともに、遮蔽性能や現在のビームラインにおけるバックグラウンド分布等を考慮した検出器設置法を確立し、実際のデータ取得に供する。この中で、データ取得・解析方法等に関しても最新の統計解析技法を応用することでさらなる高効率化および低ノイズ化を測る。磁気対称性決定に関しては初年度で得られた種々の回折データの解析を進めるとともに、対称性だけでなく実際の磁気構造を決定する。ここでこれまで開発してきた表現論に基づく磁気構造解析手法、中でも実際の解析コードをさらに高度化するとともに、その応用範囲を広げる。電磁波分光に関しては、S = 1/2 Ising型反強磁性体の磁化容易軸に垂直に磁場を加え、このとき現れる量子臨界点に向かう磁気励起状態の変化をCsCoCl3の強磁場ESR測定によって調べる。理論的研究に関してはこれまでの研究成果に基づき、磁気スキルミオンを始めとするトポロジカルスピン構造を安定化する微視的ハミルトニアンをより効率的に求めるために、機械学習を利用した手法を開発する。

研究成果

• [国際共同研究] 韓国原子力研究院(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 韓国原子力研究院
• [国際共同研究] オークリッジ国立研究所(ORNL)(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: オークリッジ国立研究所(ORNL)
• [国際共同研究] 豪州原子力科学技術機構（ANSTO）(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: 豪州原子力科学技術機構（ANSTO）
• [雑誌論文] Ferrochiral, antiferrochiral, and ferrichiral skyrmion crystals in an itinerant honeycomb magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 014417
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.014417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical selection rules of the magnetic excitation in the S=1/2 one-dimensional Ising-like antiferromagnet BaCo2V2O8 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Shojiro、Onishi Hiroaki、Okutani Akira、Akaki Mitsuru、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki、Okunishi Kouichi、Kindo Koichi、He Zhangzhen、Taniyama Tomoyasu、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 014417/1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.014417
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of the Magnetoelectric Effect Using the Dynamic Jahn-Teller Effect in a Transition-Metal Complex (2022)
  • 著者名/発表者名: Otsuki Yasunao、Kimura Shojiro、Awaji Satoshi、Nakano Motohiro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 ページ: 117601/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.117601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum phase of the chromium spinel oxide HgCr2O4 in high magnetic fields (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Shojiro、Imajo Shusaku、Gen Masaki、Momoi Tsutomu、Hagiwara Masayuki、Ueda Hiroaki、Kohama Yoshimitsu
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: L18040/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L180405
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal Directional Dichroism in Magnetoelectric Spin Glass (2022)
  • 著者名/発表者名: Sawada Y.、Kimura S.、Watanabe K.、Yamaguchi Y.、Arima T.、Kimura T.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 ページ: 217201/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.217201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multifarious skyrmion phases on a trilayer triangular lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 184426
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.184426
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rectangular and square skyrmion crystals on a centrosymmetric square lattice with easy-axis anisotropy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 174437
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.174437
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroaxial moment induced by vortex spin texture (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 144402
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.144402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion and vortex crystals in the Hubbard model (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Kaito、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: L140406
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.L140406
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective spin model in momentum space: Toward a systematic understanding of multiple-Q instability by momentum-resolved anisotropic exchange interactions (2022)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 174437
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.174437
  • 査読あり
• [学会発表] 擬スピン1/2ブリージングカゴメ格子磁性体Yb3Ni11Ge4.63の中性子非弾性散乱 (2023)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 高橋満, 奥山大輔, Tao Hong, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Structural and magnetic characterization of Cu2OSeO3 polymorph synthesized under high-pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: H. C. Wu, D. Okuyama, K. Nawa, W. T. Chen, C. H. Lu, T. W. Yen, S. M. Huang, S. Calder, D. Morikawa, M. Terauchi, S. Torii, T. J. Sato
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Ordering in magnetic quasicrystals and approximants (2023)
  • 著者名/発表者名: T. J. Sato
  • 学会等名: The 15th International conference on quasicrystals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Long-Range Magnetic Order in the Quasicrystals and Approximants (2023)
  • 著者名/発表者名: T. J. Sato
  • 学会等名: Twenty-Sixth Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multi-q spin texture in the hexagonal quantum magnet Yb3Ru4Al12 (2023)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato, Noriyuki Kabeya, Daisuke Okuyama, Lisa M. Debeer-Schmi, Tao Hong, Maxim Avdeev
  • 学会等名: Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering (AOCNS 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chiral magnetic textures in itinerant magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Hayami
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] らせん磁性とらせん構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会 シンポジウム講演
  • 招待講演
• [学会発表] Observation of magnetic long-range order in quasicrystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato, Asuka Ishikawa, Shintaro Suzuki, Tsunetomo Yamada, Chin-Wei Wang, Maxim Avdeev, Kazuhiro Nawa, Daisuke Okuyama, Ryuji Tamura
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering (ICNS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic structure and excitations of the Kitaev model candidate RuBr3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Takumi Hiraoka, Yoshinori Imai, Ryo Murasaki, Pharit Piyawongwatthana, Maiko Kofu, Richard Mole, Wakana Yamada, Hideyuki Fujihara, Ryotaro Takahashi, Masato Hagihala, Shuki Torii, Hirotada Gotou, Kenya Ohgushi, Taku J Sato
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering (ICNS)
  • 国際学会
• [学会発表] J1-J2フラストレート正方格子磁性体2VOSO4・D2SO4・nD2Oの磁気相互作用制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 柴田将弥, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 粉末中性子回折によるハニカム格子様化合物Pb6Co9(TeO6)5の磁気構造研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平岡巧, 那波和宏, 谷口貴紀, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 量子三角格子磁性体Ba3Yb(BO3)3の中性子非弾性散乱 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松坂信之介, 那波和宏, H.C.Wu, 奥山大輔, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Magnetism research with continuous neutron sources; Magnetic skrymion and quasicrystalline magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato
  • 学会等名: US-Japan workshop "Neutron Scattering on continuous sources - future developments"
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetism of pseudospin-1/2 pyrochlore antiferromagnet Na3Co(CO3)2Cl (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Ryo Murasaki, Clarina Dera Cluz, Shinichi Itoh, Hiraku Saito, Hiroyuki Nojiri, Daisuke Okuyama, Masahiro Yoshida, Daichi Ueta, Hideki Yoshizawa, Taku J. Sato
  • 学会等名: US-Japan workshop "Neutron Scattering on continuous sources - future developments"
  • 国際学会
• [学会発表] Long-range magnetic order in quasicrystalline magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato
  • 学会等名: Taiwanese Neutron Scattering Society Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Long-range magnetic order in quasicrystalline magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku J Sato
  • 学会等名: International workshop on Materials and Advanced Characterization
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Selection rules of ESR transitions in the quantum spin systems (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura
  • 学会等名: Asia-Pacific EPR/ESR Symposium 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ミクロな多極子からみたカイラリティ自由度 (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: ISSPワークショップ「カイラル物質科学の新展開」
  • 招待講演