2024年度の論文紹介

第1回(4/15):金 貴美愛(M1)

Selective Synthesis of Defect-Rich LaMnO3 by Low-Temperature Anion Cometathesis
Gia Thinh Tran et al., Inorg. Chem. 63, 3250–3257 (2024).

　ペロブスカイト型LaMnO3は幅広い欠陥濃度を持ち、巨大磁気抵抗効果を示すことで知られる。本論文ではLiMnO2 + LaOX(X=Cl,Br,ClとBrの等モル混合物)メタセシス反応に焦点を当てた。いずれにおいても金属カチオンに対して過剰な酸素を伴って生成物LaMnO3+xが形成され、LaOClとLaOBrの混合物を用いたアニオンコメタセシスによって最も低い反応温度で進行した。計算熱力学によって、欠陥濃度の系統的な変動と局所平衡から全体的な熱力学的平衡への反応の移行が明らかになった。機能性材料において原子欠陥が巨視的な特性を制御することが多い。そのため、反応に直接関与しない追加元素を含めた低温固体反応においてどのように局所平衡が生じるのか、化学ポテンシャルの状況を理解することは今後の固体合成におけるより総合的な制御につながる。

第2回(4/22):千野根 広大(M1)

Transition from Ferromagnetic Semiconductor to Ferromagnetic Metal with Enhanced Curie Temperature in Cr2Ge2Te6 via Organic Ion Intercalation
Naizhou Wang et al., Nature Physics 13, 157 (2017).

　二次元極限における磁性は新たな物理現象や応用の可能性を探る上で、興味深いテーマとなっている。特に二次元磁性は、しばしば固有なスピン揺らぎや多彩な電子構造と関連することが多く、二次元材料研究に大きな可能性を与えている。しかしながら従来の系は機械的剥離や原子層堆積法によって実現しなければならず、二次元磁性を持つ候補物質を検証するのは依然として困難である。ここでは、電気化学的に有機分子をインターカレーションすることで二次元磁気特性を操作する方法について、テトラブチルアンモニウム(TBA+)を用いて金属的な振る舞いをする(TBA+)Cr2Ge2Te6ハイブリッド超格子の合成に成功したことを報告している。(TBA)Cr2Ge2Te6のキュリー温度は、前駆体のCr2Ge2Te6が持つ67Kから208Kへと大幅に上昇した。さらに磁化容易軸がc軸からab面へと変化した。理論計算から、キュリー温度の急激な上昇は、磁気的な相互作用が前駆体Cr2Ge2Te6の弱い超交換相互作用から(TBA)Cr2Ge2Te6の強い二重交換相互作用に変化したことに起因する。これらの発見は有機イオンをインターカレートすることで、ファンデルワールス磁性体の磁性を操作できることを初めて実証している。これは、ファンデルワールス結晶における多彩な磁気的・電子的性質を探索するための簡便で効率的なアプローチとなりうる。

第3回(5/16):吉良 春希(M1)

Stabilization of a honeycomb lattice of IrO6 octahedra by formation of ilmenite-type superlattices in MnTiO3
Kei Miura et al., Communications Materials 1, 55 (2020).

　量子物性研究において、薄膜はバルク結晶には存在しないエピタキシャルひずみと二次元性を介した磁気相互作用を制御する魅力的な分野である。ここでは、薄膜の量子スピン液体の発展のための有望な候補物質として、固くて丈夫なイルメナイト型酸化物を提案する。安定化されたサブユニットセルのMn-Ir-O層はMnTiO3と同じ構造で、イルメナイト型MnIrO3の原子配置に対応する。スピンホール磁気抵抗測定を行うことによって、イルメナイトMn副格子内の反強磁性秩序が、IrO6平面を介したMnO6平面における修正された磁気相互作用によって制御されることを観測した。これらの発見は、二次元のキタエフ候補物質の開発に貢献し、量子スピン液体に特有な独自の物理学や応用の発見を加速させる。

第4回(5/27):久米田 理桜(M2)

Antiferromagnetism and crystalline electric field excitations in tetragonal NaCeO2
M. M. Bordelon, et al., Phys. Rev. B 103, 024430(2021).

　正方晶 I41/amdであるNaCeO2の結晶構造、磁気特性、結晶場を調べた。この化合物では、Ce3+イオンは反強磁性的相互作用(ΘCW = -7.69K)によって結合した正方晶に細長く伸びたダイヤモンド格子を形成し、TN=3.18K以下で磁気秩序を形成する。中性子非弾性散乱によってCe3+のJ=5/2結晶場分裂多重項を調べ、|mx>混合状態からなるJeff=1/2基底状態の多重項をパラメータ化した。中性子粉末回折データから、μ=0.57(2) μBモーメントがc軸方向に揃ったA型反強磁性が発現することが明らかになった。この磁気構造は、細長いダイヤモンド格子上のフラストレート・ハイゼンベルグJ1-J2モデルの予想と一致し、有効交換値はJ1>4J2、J1>0であった。

第4回(6/10):伊藤 正明(M2)

K2Co2TeO6: A layered magnet with a S = 1/2 Co2+ honeycomb lattice
Xianghan Xu, et al., Phys. Rev. B 108, 174432(2023).

　近年、量子スピン液体を理解するためのモデルとしてKitaev模型に注目が集まり、Co2+をベースとしたハニカム格子磁性体への関心が高まっている。本論文では、Co2+ハニカム格子磁性体のひとつであるK2Co2TeO6の結晶構造と物性について報告する。単結晶を合成してX線回折測定と各種顕微鏡を用いた実験をおこなった結果、K2Co2TeO6の空間群をはじめとした結晶構造パラメータが明らかになった。また、磁化率および熱力学的特性の評価により、低温でCo2+が有効スピンS = 1/2状態となり、磁場を印加することで抑制できる弱い磁気転移が存在することが示された。そして、ハニカム層間に分布するKの無秩序度は熱処理によって調整可能であり、それが磁気的な挙動に明確な影響を与えることが判明した。

第4回(6/24):北村 昌大(M2)

Semiconducting Electronic Structure of the Ferromagnetic Spinel HgCr2Se4 Revealed by Soft-X-Ray Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
H. Tanaka, et al., Phys. Rev. Lett. 130, 186402(2023).

　本論文では、軟X線角度分解光電子分光（SX-ARPES）と第一原理計算によって、強磁性スピネルHgCr2Se4の電子構造を研究した。 理論的研究から本物質はワイル半金属であると予測されていたが、SX-ARPES測定によって強磁性相に半導体状態が存在する直接的な証拠が得られた。また、ハイブリッド関数を用いた密度汎関数理論に基づくバンド計算は、実験的に決定されたバンドギャップ値を再現し、計算されたバンド分散はARPES実験とよく一致した。HgCr2Se4のワイル半金属状態の理論予測はバンドギャップを過小評価しており、この物質は強磁性半導体であると結論付けた。