Home 大阪大学大学院理学研究科の大学院生の二本木克旭さん（博士後期課程）、木田孝則助教、萩原政幸教授らの研究グループは、東京大学物性研究所の金道浩一教授と上床美也教授、広島大学大学院先进理工系科学研究科の井上克也教授、大阪公立大学大学院工学研究科の高阪勇輔助教、ネール研究所のJulien Zaccaro博士らと共同でキラル三角格子反強磁性体CsCuCl3の飽和磁場※2を超える磁場範囲で圧力下の磁気相図を作成することに成功しました(図1)。
叁角格子反强磁性体では、磁性イオン※3の持つスピンが格子の几何学的フラストレーション※4の影响を受けるため、特定の方向にスピンが并んだ状态を一意に决めることが困难になることが知られています。この时、スピンの向きを制御する磁场と格子を変形する圧力を叁角格子反强磁性体に同时に加えることで、フラストレーションが抑制され、物质の磁気的性质の剧的な変化が期待されます。
今回、萩原教授らの研究グループは、最大磁场55テスラの强磁场と最高圧力2ギガパスカルの高圧力を同时に実现した极限环境下の実験装置を开発し、さらに尝颁法※5という従来とは全く异なる新しい磁化测定法を组み合わせたことで、叁角格子反强磁性体が磁场と圧力によって様々な磁気相を诱起することを実験的に明らかにしました。この研究结果は、极限环境下において叁角格子反强磁性体が见せる様々な磁気构造の理解につながります。
本研究成果は、国際学術誌「Physical Review B」に、2022年５月13日（金）に公開されました。
図1(上)：强磁场高圧力下磁化测定装置の概略図。パルス强磁场?高圧力発生装置の内部に试料と磁化検出コイルの両方を配置することで强磁场?高圧力下における微弱な磁化検出に成功。(下)叁角格子反强磁性体颁蝉颁耻颁濒3の磁场‐圧力相図。饱和磁场は、圧力増加に伴い高磁场侧に移动し、最高圧力1.7ギガパスカルで40テスラまで到达。
磁性の源である电子のスピンが、格子の几何学的配置や相互作用の竞合に起因するフラストレーションにさらされた场合に、どのようなスピンの配置が安定に选ばれるのかという问题は、古くから议论されている统计物理学の基本的な课题です。コンピューターの性能が飞跃的に向上した现代においても计算の困难さから、多くの未解明な物理现象が残されています。このような系に対しては、これまでスピンに共役な外场である磁场を作用させた研究が主流でしたが、近年、圧力による格子の歪みによって磁性イオン间の交换相互作用の大きさを変化させることで、新奇な圧力诱起磁気相転移の発现が报告されています。磁场と圧力を同时に作用させた复合极限环境※6下においては、各磁気相がどのような领域に现れるのかを示す磁场-圧力相図は磁性研究におけるまさに地図であり、この相図を実験的に决めることは极めて重要な课题となっています。しかし、磁场と圧力领域の拡大は磁気测定の感度とトレードオフの関係にあるため、実际の研究の実现には大きなハードルがありました。
萩原教授らの研究グループでは、最大磁场55テスラの磁场の発生が可能な强磁场発生装置※7に组み合わせることができる最高圧力2ギガパスカルのニッケルクロムアルミ合金製高圧力セル※8を开発しました。さらに磁気相転移に伴う磁化信号を観测するため、ラジオ波の技术を利用した磁化测定技术尝颁法を用いることでキラル叁角格子反强磁性体颁蝉颁耻颁濒3の磁场?圧力下における多彩な磁気相の発见に成功しました(図1)。さらに、30テスラ以上の强磁场下ではじめて観测できる饱和磁场の圧力依存性を明らかにしたことで、数値计算结果との比较が可能となり、磁场?圧力下で见られる磁気相の発现机构について実験?理论の相补的研究によって検証することができました。
本研究成果より、强磁场と高圧力を同时に実现した复合极限环境下における実験が叁角格子反强磁性体の持つ多数の竞合する状态の解明に有効なことが示されました。本研究で开発された复合极限环境下の测定技术は本研究対象物质以外の磁性体の研究にも応用することで、今后の物性研究の発展に大きな役割を果たすことが期待されます。従来の磁性研究のほとんど、磁场と温度を外场とした磁场-温度相図を基轴として行われてきました。一方で、本研究で明らかにした叁角格子反强磁性体の磁场-圧力相図は、温度-磁场-圧力空间に3次元的に広がる物质相を多角的に探索することの重要性を指摘した点において、画期的な研究成果と言えます。近年、フラストレーションとトポロジーに起因して、あたかも素粒子のような振る舞いを示すスキルミオンなど、次世代のスピントロニクスの键となる特异な物质相に注目が集まっており、本研究で确立した高圧力-强磁场下磁化测定技术は、そのような新奇物质相の探索するための新しいツールとして非常に期待されています。
本研究成果は、2022年5月13日（金）に国際学術誌「Physical Review B」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Magnetic field and pressure phase diagrams of the triangular-lattice antiferromagnet CsCuCl3 explored via magnetic susceptibility measurements with a proximity-detector oscillator”
著者名： Katsuki Nihongi, Takanori Kida, Yasuo Narumi, Julien Zaccaro, Yusuke Kousaka, Katsuya, Koichi Kindo, Yoshiya Uwatoko and Masayuki Hagiwara
ＤＯＩ：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1103/笔丑测蝉搁别惫叠.105.184416
なお、本研究は、JSPS科学研究費助成事業研究(no. JP17H06137, JP17K18758, JP21H01035, JP19H00648, 25220803)及びJSPSの先端研究拠点事業の一環として行われました。また、本研究は大阪大学フェローシップ創設事業「超階層マテリアルサイエンスプログラム」及び日本科学協会の笹川科学研究助成の助成を受けたものです。
※1 キラル叁角格子反强磁性体
叁角格子反强磁性体は磁性イオン※3が叁角形の格子に位置して、隣り合う磁性イオンのスピンを反平行にする相互作用（反强磁性的相互作用）を持った磁性体のことを示す。キラルはキラリティ（カイラリティ）の事で、叁角格子面のスピン配置が次の面に移る际に少しずつ右回り、あるいは左回りにらせんを描くような掌性（右手左手の関係）を有している事を示す。
※2 饱和磁场
物质中の全てのスピンが磁场方向を向いた时の磁场の大きさ。
※3 磁性イオン
磁性の源である有限のスピンを持つイオン。様々な方向を向いたスピンの総和が磁化に対応している。
※4 几何学的フラストレーション&苍产蝉辫;
叁角格子反强磁性体において、図2のようにどれか二つのスピンを反平行におくと、残りのスピンの方向を决めることができなくなる。このような状态を引き起こす要因を几何学的フラストレーションと呼ぶ。
※5 尝颁法
金属探知機やFMラジオの基礎となっている技術で、試料を内包した コイルとコンデンサからなるインダクタンス-キャパシタンス(LC)共振回路において、磁場中の試料の磁化の変化を共振周波数の変化から読み取る手法である。この手法では、微小なコイルを利用できるため、非常に狭い圧力発生空間との相性が良い。
※6 复合极限环境
极低温、强磁场、高圧力といった极限环境を复数组み合わせた环境のことを复合极限环境と呼ぶ。本研究では、これら全てを组み合わせた测定环境を実现している。
※7 强磁场発生装置
大容量のコンデンサにためた电荷を一気にソレノイドコイルに流すことで瞬间的に非常に强い磁场をパルス状の短い时间発生させている。
※8 ニッケルクロムアルミ合金製高圧力セル
ニッケルクロムアルミ合金は一般的な鉄と比べて、约200倍の强度をもつ合金材料。この材料でできたピストンシリンダー型高圧力セルは、シリンダー内にピストンを押し込むことで高圧力を発生させている。この圧力セル内に测定试料を挿入し、それをソレノイドコイル内に设置して测定する。
図2 スピンのフラストレーション。矢印の向きがスピンの向きを表す。
パルス强磁场高圧力下での高感度の磁化测定は、我々の研究センターにおいて长年にわたり実现を目指した开発课题であった。第一着者である博士后期课程学生の粘り强い技术开発により世界で初めて可能となり、长年研究されてきて现在も新たな発见が报告されているキラル叁角格子反强磁性体颁蝉颁耻颁濒3の高圧力下での饱和磁场を超える全磁化过程の测定に成功した。その记念すべき第一报であり、今后强磁场下での新奇物质相の探索が楽しみな研究开発の成果である。
萩原政幸教授 研究者総覧鲍搁尝
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大阪大学 大学院理学研究科 教授 萩原 政幸（はぎわら まさゆき）
罢贰尝：06-6850-6685
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(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2022年06月16日
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