特異な量子基底状態をとるカゴメ格子反強磁性体の新物質開拓

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25800188
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 岡本 佳比古 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90435636)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 幾何学的フラストレーション / カゴメ格子 / 新物質探索

研究実績の概要

本課題の目的は、カゴメ格子反強磁性体を中心とする幾何学的フラストレート磁性体の新物質開拓を行うことにより、特異な量子基底状態の実現を目指すことにある。H27年度において、(a) S = 3/2ブリージングパイロクロア格子反強磁性体LiInCr4O8の構造・磁気転移を中性子散乱実験により調べた。(b) 歪んだS = 1/2カゴメ格子をもつボルボーサイトにおいて広大な1/3磁化プラトーを発見した。(c) カゴメ三角格子をもつ新超伝導体ScIrPを発見した。
LiInCr4O8は、スピン3/2をもつCr3+イオンが大小の正四面体の交互配列からなるブリージングパイロクロア格子を組んだ反強磁性体であり、低温で構造・磁気転移を起こす。中性子散乱実験により、温度を下げるとこれらの転移が構造転移・磁気秩序の順に逐次的に起こることを見出した。磁気秩序相では、一つの正四面体について2 up 2 downのスピン配列をもつ複雑な磁気構造が実現していることが示唆された。
ボルボーサイトCu3V2O7(OH)2 2H2Oは歪んだスピン1/2カゴメ格子をもつ磁性体である。単結晶試料を用いたパルス強磁場磁化測定により、本物質が30 T以上の磁場領域で40 T以上の磁場範囲にわたって広大な1/3磁化プラトーを形成することを明らかにした。
ScIrPはScがカゴメ三角格子を組む物質であり、空間反転対称性をもたない六方晶の結晶構造をとる。多結晶試料を用いた各種の物性測定により、Tc = 3.4 Kの新超伝導体であることを見出した。比熱測定により従来型のs波BCS超伝導であることが示されたが、パウリリミットを越えないものの比較的高い上部臨界磁場をもつ。空間反転対称性をもたない結晶構造で働くIr 5d電子の強いスピン軌道相互作用が重要な役割を演じている可能性がある。

研究成果

• [国際共同研究] Universitet Paris-Sud/LNCMI-CNRS/Institut Laue Langevin(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universitet Paris-Sud/LNCMI-CNRS/Institut Laue Langevin
• [雑誌論文] Superconductivity in the Hexagonal Ternary Phosphide ScIrP (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamoto, T. Inohara, Y. Yamakawa, A. Yamakage, and K. Takenaka
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 85 ページ: 013704-1, 5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.013704
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complex Magnetostructural Order in the Frustrated Spinel LiInCr4O8 (2015)
  • 著者名/発表者名: G. J. Nilsen, Y. Okamoto, T. Masuda, J. Rodriguez-Carvajal, H. Mutka, T. Hansen, and Z. Hiroi,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 ページ: 174435-1, 8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.174435
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] One-Third Magnetization Plateau with a Preceding Novel Phase in Volborthite (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Ishikawa, M. Yoshida, K. Nawa, M. Jeong, S. Kraemer, M. Horvatic, C. Berthier, M. Takigawa, M. Akaki, A. Miyake, M. Tokunaga, K. Kindo, J. Yamaura, Y. Okamoto, and Z. Hiroi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 114 ページ: 117202-1, 5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.227202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Frozen State and Spin Liquid Physics in Na4Ir3O8: an NMR Study (2015)
  • 著者名/発表者名: A. C. Shockley, F. Bert, J-C. Orain, Y. Okamoto, and P. Mendels
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 ページ: 047201-1, 5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.047201
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 銅鉱物におけるスピン1/2カゴメ格子反強磁性体の物質開拓 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡本佳比古
  • 学会等名: 科研費基盤(S)研究会「フラストレーション系物質の科学：協奏と競合の世界」
  • 発表場所: トヨタ産業技術館
  • 年月日: 2016-02-19
  • 招待講演
• [学会発表] ブリージングパイロクロア格子反強磁性体の強磁場磁化過程 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡本佳比古、三宅厚志、徳永将史、松尾晶、金道浩一、G. J. Nilsen、竹中康司、広井善二
  • 学会等名: 物性研短期研究会「スピン系科学の深化と最前線」
  • 発表場所: 東京大学物性研究所
  • 年月日: 2015-11-17
• [学会発表] ブリージングパイロクロア格子反強磁性体LiInCr4O8の強磁場磁化過程 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡本佳比古、三宅厚志、徳永将史、G. J. Nilsen、中園敦巳、竹中康司、広井善二
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-19