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世界で初めて準結晶におけるトポロジカル磁気秩序を発見― 準結晶の磁性とトポロジーを組成により制御できることも発見 ―

更新日:2021.09.03

世界で初めて準結晶におけるトポロジカル磁気秩序を発見

準結晶の磁性とトポロジーを組成により制御できることも発見

本學大學院工學研究院基礎科學研究系の渡辺真仁教授が主宰する固體物性理論研究室は、準結晶*1における磁気長距離秩序*2を理論的に発見しました。また、トポロジカルな磁性狀態であるヘッジホッグ狀態が準結晶で実現可能であることも世界で初めて理論的に発見しました。この発見は、物性物理學において革新的な研究成果であり、今後さらに研究が進展することで物質の新機能の開拓につながることも期待されます。

ポイント

  • 準結晶における磁気長距離秩序を理論的に発見
  • トポロジカルな磁性狀態であるヘッジホッグ狀態が準結晶で実現することを世界で初めて発見
  • 希土類系準結晶の磁性とトポロジーを化合物の組成により制御できることを発見


通常の結晶では原子は周期的に配列していますが、周期性をもたない原子配列をもつ結晶が存在することが1984年に発見され、そのような新たな結晶構造をもつ物質群は準結晶とよばれています。準結晶の特異な結晶構造のもとで、どのような電子狀態が実現するかは現在もよくわかっておらず、その解明は物性物理學のフロンティアとして注目を集めています。特に、準結晶の3次元結晶構造のもとで磁気長距離秩序が実現するか否かは未解明の重要な問題でした。今回の発見は、希土類元素のテルビウム(Tb)からなる準結晶Au-SM-Tb(Auは金、SMはSi, Ge, Sn, Alなどの元素)のTbの磁気モーメントがどのような向きで配列すると最もエネルギーが下がるかを理論計算することにより得られました。



理論計算の結果、上図(a)のように各20面體の頂點に位置するTbの4f電子の磁気モーメントが20面體の外側を向き、一様に配列した狀態(磁気長距離秩序)が基底狀態として実現することがわかりました。また、この20面體を覆う外向きの磁気配列をヘッジホッグ(ハリネズミの意味)狀態とよび(図(b))、トポロジカル數*3+1で特徴づけられる(図(c))新しい磁気秩序狀態を形成することもわかりました。さらに、準結晶Au-SM-TbのAuとSMの組成比を変化させることで、様々な磁性とトポロジー狀態を生成できることもわかりました。

この発見は、希土類系準結晶の磁性の研究にブレイクスルーをもたらすものと期待されます。特に、本研究により理論的に予言された新しい磁性狀態を実験により観測する研究の進展が期待されます。今後、希土類系準結晶の研究が活発に行われ、新しい磁性やトポロジカル創発電子物性の解明、ならびに物質の新機能の開拓につながることも期待されます。


なお、この研究成果は、2021年9月3日(金)午後6時(日本時間)に英國の科學オープンアクセス誌「Scientific Reports(Nature Publishing Group)」に掲載されます。


*1 準結晶:周期結晶では許されない回転対稱性をもつ結晶構造をもつ。準結晶は1984年にイスラエルの化學者?物理學者であるダニエル?シェヒトマンにより発見され、同氏はこの功績によりノーベル化學賞(2011年)を受賞している。
*2 磁気長距離秩序:電子の磁気モーメントがある方向に揃って結晶全體にわたって秩序化した狀態。周期結晶において磁気モーメントが一様に配列した強磁性秩序や、反平行に配列した反強磁性秩序が実現することはよく知られている。
*3 トポロジカル數:図(b)の20面體の頂點のすべての磁気モーメント(矢印) の矢尻を束ねたときに矢の先が何回球面を覆うかを表す量。図(c)のようにヘッジホッグ狀態は1回覆うので、トポロジカル數は+1となる。


■ 論文の詳細情報


タイトル “Magnetism and topology in Tb-based icosahedral quasicrystal”
著者名 Shinji Watanabe
雑誌 Scientific Reports
DOI 10.1038/s41598-021-97024-w

※ 本研究は JSPS科研費JP17H03379, JP19KK0070の助成を受けたものです。



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【本件に関するお問い合わせ先】
<報道に関すること>
 國立大學法人 九州工業大學 総務課広報企畫係
 TEL:093-884-3008
 E-mail: sou-kouhou*jimu.kyutech.ac.jp

<研究內容に関すること>
 國立大學法人九州工業大學大學院情報工學研究院 教授
 渡辺真仁
 TEL:093-884-3442
 E-mail: swata*mns.kyutech.ac.jp

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