2014 Fiscal Year Annual Research Report
希土類量子磁石の磁気特性向上と量子ダイナミクスの解明
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23350067
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| Research Institution | Nara Women's University |
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Principal Investigator |
梶原 孝志 奈良女子大学, 自然科学系, 教授 (80272003)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片岡 悠美子 奈良女子大学, 自然科学系, 助教 (00532194)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 分子磁性 / 分子設計 / 希土類 / 錯体 / 磁化緩和 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
希土類金属を基盤とし、ミリ秒程度の遅い磁化緩和を示す「単分子磁石」を対象に、合理的な物質設計の指針作成と、磁化緩和のメカニズムの解明を目指して研究を進めている。希土類系の単分子磁石は主にテルビウム以降の重希土類を用いて合成がなされてきたが、セリウムやネオジムなどの軽希土類においても適切な分子設計を施せば、単分子磁石の合成が可能であることを見出している。本年度は結晶学的に等構造なZn(II)-Ln(III)-Zn(II)直線状三核錯体(Ln = Ce, Nd, Tb, Dy)を対象に、単分子磁石特性の詳細の解明を目指した研究を進めた。これらの単分子磁石において磁化が緩和する過程は複数存在し、バイアス磁場の強度や温度の違いにより異なる過程が優位になる。Tb錯体、Dy錯体を対象に、その緩和過程の詳細を検討した。
希土類系単分子磁石について様々な磁化緩和過程が共存することが知られていたが、2013年にMITのLongらにより、トンネル緩和過程、直接過程、ラマン過程、オーバック過程の４つの過程を考慮するモデルが提唱された。筆者らの錯体は単分子磁石特性に優れるため、このようなモデルの検証に適している。まず、Field-induced SMMとして振る舞うTb錯体について、極低温、零磁場中では基底副準位間の早いトンネル緩和、1000 Oe以上の磁場中で直接過程、5～10 K付近の中温域はラマン過程、それ以上の高温域ではオーバック過程により磁化が緩和していることが見出された。しかしながら、このようなモデルによる解析の矛盾点も見出し、新たなモデル構築の重要性を指摘することができた。
次に、Dy単分子磁石は零磁場中でも遅い緩和を示すことを見出し、トンネル過程、ラマン過程とオーバック過程の三つの過程が重要であることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
軽希土類を基盤とする単分子磁石は研究開始時は全く想定していなかった化合物群であり、その磁化反転ダイナミクスの機構解明は重希土類単分子磁石におけるダイナミクス解明との関連からも重要である。というのも、軽希土類は磁気モーメントが相対的に小さく、電子構造も単純なため、理論的な考察に有利であるからである。本年度は結晶学的に等構造なCe、Nd単分子磁石とTb、Dy単分子磁石の合成に成功し、その磁化反転について極めて多くのデータを集めることができた。単分子磁石特性に優れるTb、Dy錯体においては30 Kまでに及ぶ幅広い温度領域、0～5000 Oeのバイアス磁場、0.01～10000 Hzの交流磁場周波数をカバーする膨大なデータを収集し、その一部について解析に成功したところである。これらのデータの解析より、TbやDy錯体において磁化が緩和する過程は3ないし4過程存在し、温度やバイアス磁場の強度により優位となる緩和過程が異なることを見出し、様々な速度論的パラメータの算出に成功した。一方、Ce単分子磁石については中性子散乱測定に成功し、その磁気構造を直接観測するためのデータがそろいつつあるところである。このように、当初計画していた以上に深く踏み込んだ研究が進行中であることより、計画以上に研究が進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として、2014年度に得られたデータの詳細な検討を続け、タイトルにある「量子ダイナミクスの解明」をさらに推し進めることが第一の方向性である。前述のように、Tb、Dy単分子磁石については3ないし4つの緩和過程が共存すること、それらを仮定することにより全温度領域における磁化緩和を定量的に解析可能であることを見出した。一方で、これらのモデルによる解析では矛盾する箇所の存在も明らかとなっている。データの解析を推し進め、従前のモデルを内包するような新たな理論モデルの提案を目指していく。
二つ目の方策として、軽希土類単分子磁石の探索と磁気特性の解明があげられる。海外の研究グループによる軽希土類単分子磁石の報告も散見されるが、筆者らのグループにおけるサンプル数は格段に多い。特にZn-Ce-Zn三核錯体における単分子磁石特性の解明は先んじているものがあり、2014年度には中性子散乱実験を行うことにも成功していることから、さらに大きな優位性を持って研究が進められるものと考える。この中性子散乱実験からは磁気構造を直接的に観測することが可能であり、詳細についての解析より、磁化反転ダイナミクスに関する新たな知見が得られるであろう。
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