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2013 年度 実施状況報告書

有機ラジカル結晶を用いた二次元量子磁性体の構築とそのスピン状態の解明

研究課題

研究課題/領域番号 24540347
研究機関大阪府立大学

研究代表者

細越 裕子  大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50290903)

キーワード磁性 / 有機ラジカル / 量子スピン / 強相関電子系 / 低温物性 / 分子性固体 / 磁化率 / 比熱
研究概要

今年度は、フェルダジルラジカルを利用して、一次元鎖が連結された二重鎖および二次元蜂の巣格子の合成に成功し、量子相転移や量子磁気状態の熱励起の観測に成功した。主たる研究成果を以下に記す。
(1)1,5-ジフェニルフェルダジルラジカルに複数のハロゲン原子が置換されたフェニル基を導入し、スピン空間構造の制御を行った。フェニル基の4位にフッ素原子を置換することで、分子間強磁性相関を発現する分子間配置を取りやすくなることを明らかにした。これに加えて3位に塩素、臭素を置換することで、強磁性鎖間が反強磁性的に連結された梯子格子を形成することを明らかにした。様々な磁場中での磁化の温度依存性から、低次元磁性体に特有の朝永-ラッティンジャースピン液体の熱励起を観測した。さらに梯子鎖間の相互作用により、磁場誘起の量子相転移現象を観測することに成功した。強磁性鎖を基盤とする磁性体で初めての量子効果の観測であり、有機磁性体が理想的な量子スピン系を形成することを実証することができた。
また、フェニル基の2,6位にフッ素原子を置換することで、ラジカル平面とフェニル基平面が大きくねじれた分子骨格を取らせ、二次元蜂の巣格子を形成することに成功した。弱い二次元面間相互作用による反強磁性秩序状態において、量子磁気状態に特徴的な熱励起を観測した。
(2)フェルダジルラジカルにおいてスピン密度分布が大きいフェニル基の化学修飾を行った。塩素原子の置換体をの合成と単結晶育成に成功した。結晶構造から二重鎖スピン格子の形成が示唆されたことから、低温物性を詳細に調べている。
(3)フェリ磁性体構築に向け、ニトロキシドビラジカルを用いた新しいS = 1種の合成に成功した。一次元鎖系および二次元格子の形成に成功し、磁場中低温物性測定を詳細に検討している。

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

有機ラジカルを用いて、一次元鎖が架橋された二重鎖格子や二次元磁気格子の合成に成功し、その磁気特性を明らかにすることができた。π共役系にハロゲン置換基を導入することで、スピン密度が分子全体に分布した平面性分子の積層構造を制御する方法論を得た。これらスピン格子の低温磁場中物性測定により量子現象の観測に成功した。今後、S=1種を用いた量子磁性体の開発を行い、量子フェリ磁性実現をも視野に入れ、これまでに得られた結果を分子設計にフィードバックさせることで、目的達成が見込まれるため。

今後の研究の推進方策

今後の研究の主な項目を以下に挙げる。
(1)π共役系を拡張することで、スピン密度分布の広がりを拡張し、より強い磁気相関をより多次元的に実現するような分子設計を行う。
(2)新しいS=1種の開発を行い、その量子磁気状態の解明を行う。分子内に複数のラジカルを配置したフェリ磁性構成分子を合成し、量子磁気状態の解明を行う。
実験手順は、試料の合成・純良化後、単結晶育成と単結晶構造解析を行う。静磁化・静磁化率測定においては、結晶と孤立分子系の実験を行い、分子軌道計算と合わせ、その磁性モデルを構築する。さらに数値計算を行いながら、その磁気相互作用の評価と、量子磁気状態の考察を行う。熱物性や磁気共鳴を含む極低温下の物性測定は、学外共同実験施設を利用しながら、多角的に進めてゆく。

次年度の研究費の使用計画

今年度は前年度中に合成に成功した物質の磁場中低温物性測定に重点を置いたので、合成試薬の購入が予定より少なくなったため。共同利用施設を利用した学外での低温実験は少ない自己負担で遂行することができたため。
二年次までの実験結果から得た物質設計戦略に基づき、新物質合成を精力的に行うため、主に合成試薬の購入および人件費費・謝金として使用する。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (12件) (うち招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Fine-Tuning of Magnetic Interactions in Organic Spin Ladders2014

    • 著者名/発表者名
      Hironori Yamaguchi, Hirotsugu Miyagai, Tokuro Shimokawa, Kenji Iwase, Toshio Ono, Yohei Kono, Naoki Kase, Koji Araki, Shunichiro Kittaka, Toshiro Sakakibara, Takashi Kawakami, Kouichi Okunishi, and Yuko Hosokoshi
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 83 ページ: 033707/1-4

    • DOI

      10.7566/JPSJ.83.033707

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Large Structural Transformation and Ferromagnetic Ordering in Coordination Polymer with Two-dimensional Square-Planar Lattice, Bis(glycolato)copper(II)2014

    • 著者名/発表者名
      Shota Yoneyama, Takeshi Kodama, Koichi Kikuchi, Yohei Kawabata, Kentaro Kikuchi, Toshio Ono, Yuko Hosokoshi, and Wataru Fujita
    • 雑誌名

      CrystEngComm

      巻: 15 ページ: 10193-10196

    • DOI

      10.1039/c3ce41806e

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unconventional Magnetic and Thermodynamic Properties of S=1/2 Spin Ladder with Ferromagnetic Legs2013

    • 著者名/発表者名
      H. Yamaguchi, K. Iwase, T. Ono, T. Shimokawa, H. Nakano, Y. Shimura, N. Kase, S. Kittaka, T. Sakakibara, T. Kawakami, and Y. Hosokoshi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 110 ページ: 157205/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.110.157205

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two-Dimensional Honeycomb Lattice Consisting of a New Organic Radical 2-Cl-6-F-V2013

    • 著者名/発表者名
      Hironori Yamaguchi, Asano Toho, Kenji Iwase, Toshio Ono, Takashi Kawakami, Tokuro Shimokawa, Akira Matsuo, and Yuko Hosokoshi,
    • 雑誌名

      J.Phys. Soc.Jpn

      巻: 82(4), ページ: 043713/1-5

    • DOI

      10.7566/JPSJ.82.043713

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal structure and magnetic properties of a verdazyl biradical m-Ph-V2 forming a ferromagnetic alternating double-chain2013

    • 著者名/発表者名
      Kenji Iwase, Hironori Yamaguchi, Toshio Ono, Tokuro Shimokawa, Hiroki Nakano, Akira Matsuo, Koichi Kindo, Hiroyuki Nojiri, and Yuko Hosokoshi
    • 雑誌名

      J.Phys. Soc.Jpn

      巻: 82 ページ: 074719/1-6

    • DOI

      10.7566/JPSJ.82.074719

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Various regimes of quantum behavior in an S = 1/2 Heisenberg antiferromagnetic chain with fourfold periodicity2013

    • 著者名/発表者名
      H. Yamaguchi, T. Okubo, K. Iwase, T. Ono, Y. Kono, S. Kittaka, T. Sakakibara, A. Matsuo, K. Kindo, and Y. Hosokoshi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B.,

      巻: 88 ページ: 174410/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.88.174410

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quasi-one-dimensional S = 1/2 Heisenberg antiferromagnetic chain consisting of the organic radical p-Br-V2013

    • 著者名/発表者名
      K. Iwase, H. Yamaguchi, T. Ono, and Y. Hosokoshi, T. Shimokawa, Y. Kono, S. Kittaka, T. Sakakibara, A. Matsuo, and K. Kindo
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 88 ページ: 184431/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.88.184431

    • 査読あり
  • [学会発表] 交互一次元鎖モデルp-PyPhBNNの磁気測定2014

    • 著者名/発表者名
      菊地健太郎,山口博則,小野俊雄,松尾,金道浩一,細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      神奈川
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] 強磁性相互作用を含む梯子格子磁性体における新奇量子相2014

    • 著者名/発表者名
      宮外浩嗣,山口博則,小野俊雄,下川統久朗,吉田誠,瀧川仁,河野洋平,橘高俊一郎,榊原俊郎,奥西巧一,大久保毅,川上貴資,細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      神奈川
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] フェルダジル系ビラジカルを用いた新規スピンモデルの構築2014

    • 著者名/発表者名
      岩瀬賢治,山口博則,永田慎太朗,小野俊雄,下川統久朗,松尾晶,金道浩一,野尻浩之,川上貴資,細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      神奈川
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] 新規ニトロキシド系テトララジカルTPTENOにおける多形結晶の構造と磁性2014

    • 著者名/発表者名
      天谷直樹,山本隆将,山口博則,小野俊雄,細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      神奈川
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] S=1有機磁性体の構造と磁性2013

    • 著者名/発表者名
      細越裕子
    • 学会等名
      第8回電子スピン系研究会
    • 発表場所
      福井
    • 年月日
      20131213-20131214
  • [学会発表] Two-dimensional organic magnets with strong correlation2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Hosokoshi
    • 学会等名
      The 7th Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
    • 発表場所
      Awaji, Japan
    • 年月日
      20131117-20131120
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機三角スピンチューブの開発と強磁場磁化2013

    • 著者名/発表者名
      細越裕子、天谷直樹、菊地健太郎、小野俊雄、山口博則、松尾晶、金道浩一,鈴木修一,岡田惠次
    • 学会等名
      東京大学物性研究所 短期研究会「極限強磁場科学 - 場、物質、プローブのリンクから融合へ」
    • 発表場所
      千葉
    • 年月日
      20131030-20131101
    • 招待講演
  • [学会発表] 4倍周期磁気構造を持つ新規一次元磁性体の低温物性2013

    • 著者名/発表者名
      山口博則、小野俊雄、木田孝則、萩原政幸、大久保毅、松尾晶、金道浩一、荒木幸治、橘高俊一郎、榊原俊郎、細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      20130925-20130928
  • [学会発表] 強磁性相互作用を含む新規梯子格子磁性体の低温物性2013

    • 著者名/発表者名
      宮外浩嗣、山口博則、岩瀬賢治、小野俊雄、下川統久朗、細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      20130925-20130928
  • [学会発表] 新規一次元反強磁性鎖有機磁性体p-Br-V及び類縁化合物p-DOB-Vの構造と低温物性2013

    • 著者名/発表者名
      岩瀬賢治、山口博則、小野俊雄、下川統久朗、松尾晶、金道浩一、野尻浩之、細越裕子
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      20130925-20130928
  • [学会発表] フェルダジルビラジカルによる二次元磁気格子形成2013

    • 著者名/発表者名
      細越裕子、岩瀬賢治、山口博則、多田晶美、小野俊雄、下川統久朗、川上 貴資、中野博生、松尾晶、金道浩一
    • 学会等名
      第7回分子科学討論会
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      20130923-20130927
  • [学会発表] Magnetic interactions in new bisnitroxide biradicals coupled through ter- or quarterphenyl2013

    • 著者名/発表者名
      Naoki Amaya, T. Yamamoto, H. Yamaguchi, T. Ono and Y. Hosokoshi
    • 学会等名
      The 1st Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications
    • 発表場所
      Awaji, Japan
    • 年月日
      20130616-20130618
  • [備考] 大阪府立大学 理学系研究科 物理科学専攻 細越研究室

    • URL

      http://www.p.s.osakafu-u.ac.jp/̃yhoso/index.html

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公開日: 2015-05-28  

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