10/21 陽子ビーム受け入れ開始
10/23（金）自主検査
10/27（火）施設検査
10/29（木）利用運転
公募期間：2026年10月17日（土）～11月10日（火）17:00 (JST)
◆ 研究成果
強四極⼦秩序を伴う反強磁性トポロジカル絶縁体DyPtBiの磁気的界⾯における異常⾦属状態
トポロジカル電⼦系と多⾃由度が相関するコンポジットトポロジカルマテリアルに注⽬が集まっている。中でも、反強磁性トポロジカル絶縁体 (AFTI) は、ヘリカルエッジ状態やアクシオン場に由来する電磁応答など多くの興味深い物性が現出しうる[1]。特に、磁気的界⾯に⾮散逸なカイラルエッジ状態やスピン偏極フラットバンドなどの、試料表⾯にはない⾮⾃明な伝導チャネルが現れる可能性が議論されており[2]、基礎と応⽤の両⾯で有望視されている。AFTI は、時間反転操作 (Θ) と並進操作 (T1/2) を組み合わせた操作 (S=ΘT1/2) で不変な反強磁性体において、Z2不変量が有限になることで実現する。しかし、MnBi2Te4など候補物質が極めて少ないのが現状である。
本研究では、内部⾃由度を外場制御できる新しい候補物質を開拓し、トポロジカル機能の拡張を⽬指した。研究対象のハーフホイスラーDyPtBiは閃亜鉛鉱型構造を持ち、常磁性相ではHgTeと類似したバンド反転型ゼロギャップ半導体である（図1）。さらに、従来の半導体と異なり、希⼟類イオンが⾃然に組み込まれているため、4f 電⼦と伝導電⼦の結合によって多種多様なトポロジカル交差相関応答が⽣じることが報告されている。例えば、スピン⾃由度との結合により、磁場誘起ワイル半⾦属が実現し、巨⼤ホール効果や熱電応答[3]、5桁に迫る負の超巨⼤磁気抵抗効果[4]を⽰す。我々の超⾳波測定によって、Dy 4f 電⼦が電気四極⼦の⾃由度を持つことを突き⽌めた。さらに、q = 〈0.5,0.5,0.5〉の反強磁性秩序と同時に強的秩序し、抵抗率が急激に増加することを⾒出した。これは、電気四極⼦秩序が格⼦歪みを誘起し、⽴⽅対称性の破れに伴い⼤きなバルクギャップを惹起したと考えられる。これは、 DyPtBiにおいてAFTIが実現していることを⽰唆している。
本実験では、⼀軸圧および磁場によって磁気ドメインを制御し、ドメイン境界における伝導チャネルの検出を⽬指した。図1(b,c)は、⼆つのqドメインの強度の磁場依存性である。磁場掃引前と掃引後で、磁場に平⾏なq ドメインが増加し、それ以外のq ドメインが減少していることがわかる。さらに興味深いことに、磁区の数の減少が転移温度以下の抵抗率を増加させている（図1(d)）。これは、磁壁に電気伝導性があることを強く⽰唆している。
本研究成果に関する論⽂は、Physical Review X誌に受理された[5]。
[1] R. S. K. Mong et al., Phys. Rev. B 81, 245209 (2010).
[2] E. K. Petrov et al., Phys. Rev. B 103, 235142 (2021).
[3] M. Hirschberger et al., Nature Mat. 15, 1161 (2016).
[4] K. Ueda et al., Nature Commun. 14, 6339 (2023).
[5] K. Ueda, H. Saito, Z. Ogame, I. Ishii, R. Hibino, T. Yanagisawa, S. Itoh, T. Nakajima, and Y. Tokura, Phys. Rev. X, 16, 041028 (2026). https://doi.org/10.1103/l8fh-cgq7
図1. (a) DyPtBiの結晶構造。(b) q1=(0.5,0.5,0.5)における積分強度の磁場依存性。緑色が無磁場冷却後の磁場掃引過程で、赤色が磁場をゼロに戻す過程である。(c) q2=(0.5,0.5,0.5)における積分強度の磁場依存性。q1が磁場に平行なもの、q2 はそうではないものである。(d)転移温度以下2 Kにおける抵抗率の磁場依存性。
ファンデルワールス磁性体Cr1/4NbSe2の磁気秩序と磁気励起の解明
2004 年のグラフェンの発⾒以降、固体物性研究において2次元性の⾼い層状物質に多くの注⽬が集まっている。2018 年に２枚のグラフェンを捻って積層することにより超伝導が発現することが報告された[1]ことから層状構造を持つ物質群の探索がさらに活発化し、この流れの中で、磁気モーメントの⾃由度を持った「磁性グラフェン」と⾔うべき物質群の探索が活発化している[2]。2 次元レイヤーがファンデルワールス⼒で積層した構造を持つ磁性体を総称して「ファンデルワールス磁性体」と呼ぶが、この物質群の中でも層状構造を持つ遷移⾦属ダイガルコゲナイドTX2 (T=Nb, Ta etc., X=S, Se etc.) の層間に磁性イオンがインターカレートした物質群MxTX2 (M=Fe, Ni, Cr, Co etc.) はホストとなる層状物質と磁性イオンの組み合わせにより多彩な磁性を⽰すことから活発に研究されている。
本研究ではNbSe2の層間にCrが挿⼊されたCrxNbSe2に注⽬した。この系はCrの量xによって結晶の対称性が異なることが知られており、x=1/3の系ではカイラルな空間群P6322をとるのに対してx=1/4 では反転対称性を持ったP63/mmc を持つ。本研究では化学気相輸送法で合成されたx=1/4 の単結晶試料を対象とした。この組成ではCr イオンはNbSe2レイヤーの間で三⾓格⼦を形成する。まず、JRR-3の5G PONTA分光器による偏極・⾮偏極中性⼦散乱実験により、この系はTN=65 K以下で磁気伝播ベクトルq=(1/3, 1/3, 0) を持ったin-plane 120°型の反強磁性秩序を⽰すことを解明した。さらに、同じ組成の単結晶を多数育成しco-align した試料を⽤いてMLF BL12 (HRC) で中性⼦⾮弾性散乱を⾏った。図2にその結果を⽰すが、上記のq-vector で特徴づけられる点から⽴ち上がる明瞭な磁気励起を観測した。特に注⽬すべきは (1/3,1/3,L) のラインで、磁気励起がL ⽅向にも⽐較的シャープな分散関係を持っていることが⾒て取れる。層状構造を持ったファンデルワールス物質は直感的には層内の磁気相互作⽤が強く、層間の相互作⽤は弱いと考えられることが多いが、今回の結果を線型スピン波近似の範囲で解析したところ、層内と同じオーダーの強い相互作⽤が層間にも存在していることが分かった[3]。他のファンデルワールス磁性体との⽐較や先⾏研究の第⼀原理計算の結果などを参考にすると、この⼆次元レイヤーを跨いだ⽐較的⻑距離の層間相互作⽤は伝導電⼦により媒介されるRKKY 相互作⽤に由来することが⽰唆される。本研究は近年急速に発展されるファンデルワールス磁性体の研究に対して、その構造と相互作⽤を定量的に⽰す⼀例となった[3]。
[1] Y. Cao et al., Nature 556, 43‒50 (2018)
[2] J. G. Park et al., Rev. Mod. Phys. 98, 025003 (2026).
[3] R. Yamaoka et al., Phys. Rev. B 114, 214410 (2026).
図2. (a) HRC で観測されたCr1/4NbSe2 の (H,H,0) ライン上の磁気励起スペクトル。(T=5 K) (b) 弾性散乱領域の強度。(c)-(g) いくつかのエネルギーでconstant-E cutを切り出し、磁気励起のピーク位置をfittingにより求めた結果。(h)(i) (1/3, 1/3, 0) 磁気ブラッグ点周辺について、(K, -K,0) ⽅向、(0,0,L) ⽅向に切り出した磁気励起スペクトル。
◆ 論文等
◆ 論文等
◆ 学位論文
◆ 受賞
