テルビウム系準結晶における強磁性秩序を理論的に発見
― 近似結晶におけるトポロジカルホール効果も発見 ―
本学大学院工学研究院基礎科学研究系の渡辺真仁教授が主宰する固体物性理論研究室は、準結晶*1における強磁性長距離秩序*2を理論的に発見しました。また、準結晶と共通の局所原子構造と周期性をもつ近似結晶*3におけるトポロジカルホール効果*4も理論的に発見しました。この発見は、物性物理学における新しい研究成果であり、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
- テルビウム系準結晶における結晶場を理論的に解明
- 準結晶における強磁性長距離秩序を理論的に発見
- 近似結晶において磁場中でトポロジカルホール効果が出現することを理論的に発見
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、どのような電子状態が実現するかはよくわかっておらず、その解明は物性物理学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サイトにおける結晶場*5を理論的に解明し、Tbの磁気異方性をとり入れた有効磁気模型を構築することによって得られました。
理論計算の結果、上図(a)のように各20面体の頂点に位置するTbの4f電子の磁気モーメントが図(b)のようにフェリ磁性状態を形成し、それらが一様に配列した基底状態(強磁性長距離秩序)が実現することがわかりました。また、Au-SM-TbのAuとSMの組成比を変化させることで、図(c)の渦巻き状態をはじめとする様々な磁性状態を生成できることもわかりました。さらに、この渦巻き状態は、近似結晶において図(d)のように反強磁性長距離秩序を形成し、磁場をかけると磁化が急激に増加するメタ磁性転移*6を示すと同時に、トポロジカルホール効果を示すこともわかりました(図(e))。
この発見は、希土類系準結晶と近似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、最近実験により発見されたTb系準結晶の強磁性長距離秩序状態の理論解明や、新しい磁性の解明、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10月27日(水)午前4時(日本時間)に米国の科学誌「米国科学アカデミー紀要(PNAS)」に掲載されます。
■ 論文の詳細情報
| タイトル | “Topological magnetic textures and long-range orders in terbium-based quasicrystal and approximant” |
| 著者名 | Shinji Watanabe |
| 雑誌 | Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America |
| DOI | 10.1073/pnas.2112202118 |
※ 本研究はJSPS科研費 JP18K03542,JP19H00648の助成を受けたものです。
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