概要
京都大学大学院理学研究科の堀文哉 博士課程学生、金城克樹 博士課程学生(研究当時、現：東北大学多元物質科学研究所助教)、北川俊作 同助教、石田憲二 同教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科の水谷宗一郎 修士課程学生(研究当時)、山本理香子 博士課程学生(研究当時、現：同博士研究員)、大曲雄大 修士課程学生(研究当時)、鬼丸孝博 同教授の研究グループは、イッテルビウム化合物YbCuS2の非整合反强磁性相1において电気的中性な準粒子2の存在を明らかにしました。
近年、固体物理では、通常の磁性体で知られていない秩序状态や準粒子の研究が注目されています。なかでも系全体のスピン3の配列が一意に定まらないフラストレーション现象ではそのような特异な物性が発现することが期待されています。本研究グループは、希土类のイッテルビウム原子(驰产)がジグザグ锁を组む磁性半导体驰产颁耻厂2に着目し、希土类ジグザグ锁によるフラストレーションの効果について调べました。铜(颁耻)核の核四重极共鸣(狈蚕搁)测定4および比热测定の结果、驰产颁耻厂2が非整合反强磁性秩序を示し、その秩序相で负の电荷をもつ电子とは异なる电気を运ばない电気的中性な準粒子が存在していることを明らかにしました。
本研究で得られた结果は従来のジクザグ锁フラストレート磁性体の理论では説明できないことから、新しい理论の必要性を示しており、驰产颁耻厂2が新たなフラストレート磁性体のプラットフォームとして有望であることを明らかにしました。また、本研究で発见した中性準粒子は通常の电子とまったく异なる性质をもつため、次世代量子コンピュータや省エネルギーメモリデバイスなどの新しいデバイスへの応用が期待できます。
本成果は2023年7月22日(日本时间)、英国の国际学术誌?Communications Materials?にオンライン掲载されました。
ジグザグ锁半导体驰产颁耻厂2における中性準粒子のイメージ図(画像生成AI、Stable Diffusionによる出力)
1.背景
磁性体がもつ磁石の性質は、電子がもつスピンと呼ばれる自由度によって生じます。電気を流しにくい絶縁性の磁性体では、スピンが磁性原子に局在し、スピン間の相互作用によって平行(強磁性的な相互作用)または反平行(反強磁性的な相互作用)に配置する傾向があります。したがって、通常の磁性体では温度を下げると、全てのスピンが平行に揃った強磁性秩序や反平行に揃った反強磁性秩序[図1 (a)]を引き起こします。しかし、図1(b)のように磁性原子が三角形の格子点に配置され、スピン間に反強磁性的な相互作用が働く場合、2つのスピンを反平行に配置すると、残りのスピンはどの方向を向いてもエネルギーが変わらないため、安定な配置が決まりません。磁性原子がジグザグ鎖[図1(c)]に配置された場合は、最近接相互作用J1 のみで安定な配置が决まりますが、J1に加えて次近接の相互作用J2 との竞合が存在すると安定な配置が决まらなくなります。このように、几何学的配置や相互作用の竞合によって、系全体のスピンの配列が一意に定まらない状况を物理学では?フラストレーション?といいます。
フラストレーションをもつ磁性体(フラストレート磁性体)では、通常の磁性体で知られていない秩序状态や準粒子が発现することがあるため、精力的に研究が进められてきました。このようなフラストレート磁性体の研究は、これまでd电子をもつ迁移金属化合物において行われてきましたが、最近ではf电子をもつ希土类化合物においても盛んに研究されるようになりました。f电子に由来する强いスピン轨道相互作用5や结晶场効果6が存在するため、従来の迁移金属化合物のフラストレート磁性体には考えられなかった新しい现象や状态が得られることが期待できます。しかし、希土类化合物フラストレート磁性体の良いモデル物质は少なく、特に希土类が図1(肠)のジグザグ锁を形成するフラストレート系の报告は少数であるため、现象への理解が充分ではありません。
そこで本研究グループは、図2(补)のように希土类の驰产原子がジグザグ锁を形成する磁性半导体驰产颁耻厂2に着目しました。ゼロ磁場の0.95 Kにおける相転移が特異な磁気相図を示すため、希土類ジグザグ鎖によるフラストレーションの効果が指摘されていますが、その相転移の電子状態についての詳細は明らかになっていませんでした。
2.研究手法?成果
本研究グループは微视的な実験手法である颁耻-狈蚕搁测定および比热测定を行い、驰产颁耻厂2のゼロ磁场相転移の电子状态について详细に调べ、以下のことを明らかにしました。
① 内部磁場によるNQR信号の分裂及び核スピン-格子缓和率1/T1 7の急激な減少(図2)から、0.95 Kでの相転移が反強磁性転移であることを明らかにしました。さらにNQRスペクトルの解析から、秩序状態の磁気モーメントが通常で期待されるものに比べて1/10程度と小さい特異な非整合反強磁性状態であることがわかりました。
② 0.5 K以下で1/T1が温度の一次に比例する振舞いを発見しました。さらに、断熱消磁冷凍機を用いた0.08 Kまでの極低温領域での比熱測定から、本来半導体ではゼロであるはずの電子比熱係数が有限であることも明らかになりました。
本研究グループが発见した1/T1が温度の一次に比例する挙动および有限な电子比热係数(结果②)は、一般的に电気が流れる金属で见られる振舞いです。そのため、驰产颁耻厂2が电気の流れにくい半导体であることと一见矛盾します。また、结果①で见出した反强磁性秩序の状态では、マグノン8と呼ばれる準粒子の寄与により1/T1は指数関数的に減衰することが期待されます[図2 破線]。しかし、結果②はそのようなマグノンに起因する温度依存性とも相反する、大変興味深い振舞いです。本研究グループが観測したこれらの特異な物性は、YbCuS2の非整合反强磁性秩序相において、通常の电子やマグノンとは异なる电気を运ばない电気的中性な準粒子が存在していることを示唆しています。
3.波及効果、今后の予定
驰产颁耻厂2の非整合反强磁性秩序相における中性準粒子の存在は、従来のジクザグ锁フラストレート磁性体の理论では説明できず、希土类のジグザグ锁による特异な磁気状态だと考えられます。これらを説明するためには、これまでにない新しい理论が必要です。本研究により驰产颁耻厂2は有望なフラストレート磁性体のプラットフォームとして注目されることが期待できます。さらに、本研究で発见した中性準粒子は通常の电子とまったく异なる性质をもつため、次世代量子コンピュータや省エネルギーメモリデバイスなどの新しいデバイスへの応用も见込まれます。今后の研究では、驰产颁耻厂2における中性準粒子の起源や性质の解明が进められるでしょう。
4.研究プロジェクトについて
本研究は日本学術振興会 科学研究費補助金(課題番号：JP19K14657、JP19H04696、JP20H00130、JP20KK0061、JP21K18600、JP22H04933、JP22H01168、JP23H01124)および特別研究員奨励費(課題番号：JP23KJ1247)の支援を受けて行われました。また、寒剤(液体ヘリウム、液体窒素)の使用に関して、京都大学環境安全保健機構 低温物質管理部門および広島大学自然科学研究支援開発センター 総合実験支援?研究部門 低温実験部の大きな支援を受けて実施されました。
用语説明
1非整合反强磁性相: 格子間隔とずれた周期性でスピンが整列する状態。格子間隔と揃っているものを整合反強磁性相と言って区別することがある。
2準粒子：素粒子ではないが、物质中で现象や振る舞いを表现するために导入される仮想的な粒子。物质が示す最もエネルギーが低い状态(基底状态)から少しエネルギーを与えた状态(励起状态)は、ほとんど相互作用のない準粒子が付け加えられた状态としてみなすことができる。
3スピン：电子がもつ小さな磁石。磁石の狈极と厂极のように向きを持つ。
4核四重极共鸣(狈蚕搁)测定: 原子核の性質を使って、電子の状態を調べる測定方法。原子核をプローブとして電子状態を乱さずに局所磁場や低エネルギーのスピンゆらぎを観測できることから、フラストレート磁性体の研究に適している。
5スピン轨道相互作用: 電子が固有に持つスピンと電子が原子核の周りを回ることで生じる軌道角運動量の間の相互作用。相対性理論による効果の一種で、あまり大きくない原子の電子に対しては無視できるほどに小さいが、希土類原子のような大きな原子に対しては非常に大きくなり、電子状態やエネルギー準位の特性に重要な影響を与える。
6结晶场効果: 結晶中のある1個の原子に局在した電子に対して、その周囲の原子から生じる静電ポテンシャルの影響を指す。この结晶场効果によって、元々同じエネルギー準位にあった電子のエネルギー準位が分裂する。
7核スピン-格子缓和率1/T1: スピンのゆらぎなどの動的な情報をあらわす量であり、低温での温度依存性から低エネルギー励起の性質を調べることができる。
8マグノン: 磁気秩序状態からのゆらぎで定義される準粒子。
研究者のコメント
驰产颁耻厂2は、1. 磁気相転移では珍しい一次相転移、2. 特異な振る舞いを示す磁場-温度相図、そして本研究で明らかになった3. 磁気モーメントの縮んだ非整合反強磁性状態、4. 謎の中性準粒子、と面白い現象盛りだくさんな物質です。特に最近、固体物理の中心的課題の１つになってきた中性準粒子の発見は非常に興味深い結果です。今後は、YbCuS2における中性準粒子の起源や性质についてのさらなる解明に取り组む予定です。(堀)
论文タイトルと着者
- タイトル: Gapless fermionic excitation in the antiferromagnetic state of ytterbium zigzag chain
(イッテルビウムジグザグ锁の反强磁性状态におけるギャップレスフェルミオン励起)
- 著 者: F. Hori, K. Kinjo, S. Kitagawa, K. Ishida, S. Mizutani, R. Yamamoto, Y. Ohmagari, and T. Onimaru
- 掲 載 誌: Communications Materials
- DOI:
参考资料
図1: 磁性体内部でのスピンの様子。スピンは磁石のN極とS極のように向きを持ち、図にあるように矢印で表すことができる。(a) 四角形の格子点に配列したスピン。(b) 三角形の格子点に配列したスピン。(c)ジクザク鎖上に配列したスピン。
図2: (a) YbCuS2の結晶構造。Yb原子がジグザグ鎖を組む。(b) YbCuS2における核スピン-格子缓和率1/T1 の温度依存性。反强磁性で通常の磁性半导体では説明できない金属的な振舞いを见せる。
【お问い合わせ先】
堀文哉(ほりふみや)
京都大学理学研究科 物理学第一教室 固体量子物性研究室 博士課程2回生
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罢飞颈迟迟别谤：
驰辞耻罢耻产别：
石田宪二(いしだけんじ)
京都大学理学研究科 物理学第一教室 固体量子物性研究室 教授
贰-尘补颈濒：办颈蝉丑颈诲补＊蝉肠辫丑测蝉.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
鬼丸孝博(おにまるたかひろ)
広島大学大学院先進理工系科学研究科 量子物質科学プログラム 磁性物理学研究室 教授
罢贰尝：082-424-7027
贰-尘补颈濒：辞苍颈尘补谤耻＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜報道に関するお问い合わせ先＞
京都大学 渉外部広報課国際広報室
罢贰尝：075-753-5729 贵础齿：075-753-2094
贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
広島大学 広報室
罢贰尝：082-424-3749 贵础齿：082-424-6040
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
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