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広岛大学大学院先进理工系科学研究科 教授 井上克也
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＜报道に関すること＞
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本研究成果のポイント
- 粉末中性子线回折※1により、1回の测定で强弾性※2転移と倾角反强磁性※3転移の両方を観测することに成功し、强弾性倾角反强磁性体マルチフェロイクス※4を実証しました。
- 强弾性からくるひずみと倾角反强磁性构造はスピン轨道相互作用を通して强く结合して弾性―磁性マルチフェロイクスとしてふるまうことが明らかになりました。
- キラル磁性体では、キラルな结晶ひずみと磁性はスピン轨道相互作用を通して、キラルらせん磁気构造ができると理论的に考えられていましたが、このことを実験的に実証したことになります。この研究结果は、短いらせんピッチを持つ强いキラル磁気构造を持つキラル磁性体の设计指针へと展开できます。従来より高いデータ処理速度や低消费电力が実现可能とされるスピントロニクス技术において、情报密度の向上に繋がることが期待できます。
概要
広岛大学大学院先进理工系科学研究科、奥笔滨持続可能性に寄与するキラルノット高等研究所(奥笔滨-厂碍颁惭2)の井上克也教授が研究代表者を务める広岛大学、スペインザラゴザ大学およびフランスのラウエーランジェバン研究所(滨尝尝)の研究グループは、次世代滨罢素子や省エネルギー材料として期待され、世界中で研究が进められているマルチフェロイックと呼ばれる物质群で、特异な机能の原因である强弾性－强磁性が相互作用する原因を突き止めました。
今回の研究成果は、これまであまりわかっていなかったひずみ磁気(惭础)効果の原因が明らかになったことで、我々の别の研究テーマであるキラル磁性体など関连する材料研究に一层の飞跃をもたらすことが期待されます。なお、本研究成果は、2025年1月29日に英国王立化学会の学术誌「Journal of Materials Chemistry C」にオンライン版が掲载されました。
背景
持続可能性の追求のため、地球温暖化を阻止するための高効率または超省エネルギー次世代滨罢技术として量子コンピューティング※5やスピントロニクス技术※6が盛んに研究されています。その中で、マルチフェロイクスはスピントロニクスの技术革新をひらくものとして注目され、盛んに研究されています。主なマルチフェロイクスには、电気磁気(惭贰)効果を起源とする强诱电强磁性体や、ひずみ磁気(惭础)効果を起源とする强弾性强磁性体などが知られています。これら二つのうち强诱电强磁性体の研究は多くされていますが强弾性强磁性体に関してはあまり研究がありません。それは强弾性という物性自体があまりわかっていなかったためです。
そのような中、2次元ペロブスカイト化合物※7は、透明な结晶であるため光学的に强弾性状态を认识できます。研究グループは以前、2-フェニルエチルアンモニウムと贵别颁濒42?を含む2次元ペロブスカイト化合物(以下PEA-Fe、図1)が室温より高い摂氏160℃(433 K)で層内方向に自発的にひずみを形成する強弾性転移を起こし、さらに温度を下げていくと摂氏?175℃(98 K)で傾角反強磁性体に磁気転移を起こすことを報告しており(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9367.)、MA効果の観測が望まれていました。
研究成果の内容
強弾性磁性体である、2次元ペロブスカイト化合物を合成し、この結晶の弾性と磁性が結合することを見出し、その原因を詳細な磁気測定、X線結晶構造解析、粉末中性子线回折等の手法を用いて明らかにしました。
研究グループは、X線結晶構造解析によりPEA-Feの2次元ペロブスカイト構造の形成を確認後、粉末中性子线回折測定を行うことで、強弾性秩序と傾角反強磁性秩序が共存していることを明らかにしました。この強弾性磁性体は、外部磁場を印加したまま冷却すると、磁気曲線が上下にシフトする挙動が観測されました。その磁化曲線シフトは磁気転移点温度より低温で観測されました(図2)。本研究の結果、強弾性からくる結晶内のひずみは、スピン軌道相互作用を通して磁気構造に転写されることを明らかにしました。この一連の相互作用は、キラルな結晶の磁性体でも発現し、その結果キラルならせん磁気構造を安定化する原因と同じであると確定しました。
今后の展开
2次元ペロブスカイト化合物は结晶设计から始めて、现在はほぼ自在に设计して合成し、物性测定まで可能になってきました。今回の成果は、长年の努力が実った结果です。この特异なマルチフェロイック物性は、キラル磁性体に関しても深い洞察を与えることができます。
この研究は、结晶ひずみと磁気构造が强く相互作用する轨道角运动量の大きな磁性イオンを含む强弾性磁性マルチフェロイクス材料は、次世代スピントロニクスデバイスとして利用できると言えます。
论文の详细情报
- タイトル：“Coupling between ferroelasticity and magnetization in two dimensional organic-inorganic perovskites (C6H5C2H4NH3)2MCl4 (M = Mn, Cu, Fe)”
著者名：Naoto Tsuchiya, Saya Aoki, Yuki Nakayama, Goulven Cosquer, Sadafumi Nishihara, Miguel Pardo-Sainz, José Alberto Rodríguez Velamazán, Javier Campo and Katsuya Inoue*
*责任着者 - 掲載雑誌： Journal of Materials Chemistry C
- DOI： 10.1039/d4tc04445b
※ 本研究は JSPS WPI事業、研究拠点形成事業(Core-to-Core) A. 先端拠点形成型「スピンキラリティを軸にした先端材料コンソーシアム」(広島大学)の助成を受けたものです。
用语解説
※1 粉末中性子线回折
粉末试料に中性子を当て、散乱される中性子线を测定して试料の结晶构造や磁気构造を调べる分析法。
※2 强弾性
结晶中に一様な格子ひずみをもち、応力によってそのひずみ状态をエネルギー等価な别の状态に反転できる状态を指します。通常、晶系の変化を伴う构造相転移により强弾性状态を示します。
※3 倾角反强磁性
隣接するスピンが反平行状态から互いに少し倾いた磁気秩序状态を指します。このとき、磁気モーメントは完全に打ち消しあわず、饱和磁化の100分の1程度の自発磁化が现れます。
※4 マルチフェロイクス
强磁性?强诱电性?强弾性のような强的秩序のうち2つ以上の强的秩序が共存し、相互作用している状态を指します。
※5 量子コンピューティング
量子力学独自の性质を利用して、最も强力な古典的なコンピューターの能力を超えた问题を解决する、最先端のコンピューター?サイエンスの新兴分野。
※6 スピントロニクス技术
电子の电荷だけでなく、スピンという量子特性を利用する技术のこと。従来のエレクトロニクスは、电子の移动による电流を基に动作しますが、スピントロニクスでは电子のスピンの向き(上向きや下向き)を情报の単位として扱うため、より高いデータ処理速度や低消费电力を実现できる可能性があります。
※7 2次元ペロブスカイト化合物
一般式础2BX4(础および叠は阳イオン、ｘは阴イオン)で表される有机-无机ハイブリッド化合物であり、叠齿6八面体が顶点共有で2次元につながった层の间に础が占めています。
参考资料
図 1 293 Kにおける2次元ペロブスカイト化合物の構造。遷移金属イオンのハロゲン化物の2次元層と有機アミンからなる層が交互に積層した構造をもちます。
図 2 PEA-Feの磁化曲線シフト(5 K)とその温度依存性。磁化曲線シフトは、傾角反強磁性転移点温度(図中TN)直下からは観測されず、30 K以下で観測されました
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