Tsai型近似結晶の特異な磁気相図を解明 ～謎に包まれた準結晶の物性を明らかにする重要な知見～

Tsai型近似結晶の特異な磁気相図を解明～謎に包まれた準結晶の物性を明らかにする重要な知見～

2024年1月15日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　准教授　那波和宏
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

Tsai型の金?ガリウム?テルビウム(Au-Ga-Tb) 1/1近似結晶の特異な磁気相図を解明し、エキゾチックな強磁性秩序および反強磁性秩序を示すことを発見しました。
近似結晶中の電子と原子の比率（e/a比）によって、安定な磁気構造が変化することを明らかにしました。
磁気構造を磁気モーメントの相対的な向きの観点から整理することにより、強磁性相と反強磁性相の選択則を明らかにしました。
本研究は準結晶?近似結晶の磁気秩序の解明につながる成果であり、将来的には、磁気冷凍やスピントロニクスをはじめとする応用研究につながる基礎知見になると期待されます。

【概要】

東京理科大学先進工学部マテリアル創成工学科の田村隆治教授、Farid Labib研究員、東北大学多元物質科学研究所の那波和宏准教授、佐藤卓教授の共同研究グループは、Tsai型の金?ガリウム?テルビウム(Au-Ga-Tb) 1/1近似結晶において、磁気相図の作製に成功し、結晶中の電子と原子の比率（e/a比）を変えることで、エキゾチックな強磁性秩序や反強磁性秩序を実現できることを明らかにしました。

準結晶は、原子や分子が集合して規則的な配列を形成していますが、周期性は無く、結晶や非晶質（アモルファス）とは大きく異なる構造を有しています。その特異的で複雑な構造?性質は物性物理学分野で大きな注目を集めており、従来とは異なる新規材料の実現に向けた研究が行われています。本研究グループは、新たな準結晶やそれに類する近似結晶の発見、これらの材料が示す物性の開拓に注力してきました。今回、準結晶や近似結晶における磁気構造のe/a（電子数と原子数の比）依存性を明らかにするために、一軸異方性の大きな磁性元素としてTbを導入した近似結晶を作製し、磁気特性に関する検討を行いました。

本研究では、磁化測定と中性子回折実験の結果から、Tsai型Au-Ga-Tb 1/1近似結晶の磁気相図をe/aの関数として初めて作成しました。これらの近似結晶では、Tbは正二十面体に近い形のクラスターを形成します。得られた実験結果から、e/a = 1.72では非平面渦巻き状の反強磁性秩序が、e/a = 1.80では非平面渦巻き状の強磁性秩序が基底状態として安定化していることがわかりました。これらの秩序状態においてTbの磁気モーメントは正二十面体に接する方向を向いていることを明らかにしました。さらに、磁気構造を正二十面体内の最近接サイト間と次近接サイト間の磁気モーメントの相対的な向きの観点から整理することにより、強磁性相や反強磁性相を生ずる磁気相互作用の選択則を明らかにしました。

これらの発見は、準結晶や近似結晶の磁気秩序を理解する上で重要な知見であり、将来的には、磁気冷凍やスピントロニクスなどの応用につながると期待されます。

本研究成果は、2023年12月19日に国際学術誌「Materials Today Physics」にオンライン掲載されました。