Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

磁性 / ナノシート / 磁性体 / 磁気物性 / 光化学反応 / 無機ナノシート / 光物性 / スピントロニクス

本研究課題では、次世代を担うスピントロニクスデバイスの開発を目指し、磁性を示す層状化合物、ならびにそれらを単層剥離させた磁性ナノシートを創出した。
磁性イオンを含む層状複水酸化物 (LDH) に関し、(i) 異種LDHの複合化によって負の次期交換相互作用が発現すること、(ii) 半導体ナノシートとの複合化によって磁気物性を光変調できること、を見いだした。
磁性イオンを含む遷移金属トリカルコゲナイドに関しては、(i) 合成時における緩やかな温度勾配をつけた長時間の焼成、(ii) 単層剥離時における塩基存在下・高極性溶媒中での超音波照射、が効果的であることを見いだした。

本研究課題においては、「無機ナノシートが真に次世代エレクトロニクスを支える基幹物質となりうるか」を命題に掲げ、未解明な部分が多い無機ナノシートの磁気物性の開拓に焦点を当てた。
異なる物性を有する磁性層状複水酸化物ナノシートを巧妙に組み合わせることによって、単体では発現しない磁気物性を発現させることに成功したことは学術的にも社会 (産業) 的にも意義深いと言える。
また、スピントロニクス分野への応用に資する磁性リントリカルコゲナイドナノシートの合成に対する重要な知見を得たことは、今後の学際領域研究の発展に対して寄与するところが少なくないと言える。

励起子絶縁体 / BiCo03 / スピンダイマー模型 / 四重極相 / マルチフェロイクス / 強相関 / 軌道自由度 / 強相関電子系 / 電子相関 / 磁性 / 光物性 / 誘電体物性

[1]強相関拡張された二軌道ハバード模型では、高スピン(HS)相と低スピン(LS)相の間に励起子絶縁体が現れる。この相境界付近で、弱いスピン軌道相互作用を採り入れると、HS相に内在する四重極自由度の揺らぎにより帯磁率が著しく増強されることを明らかにした。
[2][1]の励起子絶縁体の模型において、変分クラスタ法を用いてvertex補正まで取りいれ、光学電導度を計算したところ、励起子絶縁相においては鋭いピークと連続スベクトルという特徴的な構造が得られ、この構造の積分値が励起子の秩序変数でスケールすることから、この相を特徴づける観測量であることを明らかにした。
[3][1]の2軌道ハバード模型の電荷自由度をスピン自由度に読み替えたダイマースピンモデルのうちで、S=1から構成される系において3種類の四重極相を見出し、そのうちフェロネマティック相の比熱の温度依存性に特異なリエントラント現象が生じることを明らかにした。これらの四重極相は[1]の模型の励起子相と読み直すことができる。
[4]励起子絶縁体の候補物質のコバルト酸化物のうち、反強磁性と焦電性を同時に示すマルチフェロイック物質BiCo03に着目し、の第一原理電子状態計算を行った。CoサイトをFeイオンで置換した際の圧電定数の変化を調べたところ、単斜晶構造Bi(Co, Fe)03が大きな圧電定数を示すのは、Co05ピラミッド配位の頂点酸素原子が対称性を下げることなく変位することにより、ピエゾテンソルの非対角項に寄与することが原因であることが分かった。また、スピン軌道相互作用を考慮したバンド計算により、反強磁性磁気空間群の対称性から許されるラシュバ効果を示すことを計算予測した。
[5][4]のBiCo03のスピン軌道相互作用の効果の理解に参考となる有効モデルとして反強磁性絶縁体の一般化モデルを考案し、擬スピン描像を用いて系の性質をその詳細によらず解析的に明らかにする方法論を開発した。2種類のマグノン(擬スピン自由度)が混成して熱ホール効果やスピンテクスチャを生じる機構として、過去に知られていたスピン軌道相互作用以外に、Kitaev相互作用を含め、多くの空間的に反対称な相互作用が新たに加わることを明らかにした。

共鳴軟X線散乱 / 電子構造 / 光誘起相転移 / 強相関電子系 / 遷移金属化合物の電子構造 / 光誘起相転移ダイナミクス / 遷移金属化合物 / 強相関電子 / X線磁気円偏光二色性 / 強相関系 / 光物性 / 物性実験 / X線 / 磁性

共鳴軟X線散乱を用いて遷移金属カルコゲナイドの示す相転移と超伝導に関する電子構造研究を行った。Ir1-xPtxTe2の研究では低温での電荷秩序の周期が5倍、8倍及び6倍と様々に変化することを見出した。またAFe2Se3の研究では、CsFe2Se3においては磁気秩序による散乱のみが観察されるが、超伝導に近いBaFe2S3においては、磁気秩序と軌道秩序が共存するが、散乱信号はエネルギーと偏光の両面で分離できることを明らかにした。さらにSPring-8 BL-07LSUにおいて、国内初の時間分解共鳴軟X線散乱/X線磁気二色性測定装置システムが完成し、CsFe2Se3等の光誘起相転移の測定に成功した。

相転移 / スピン化学 / 磁性 / 誘電性 / 光物性 / ナノ微粒子 / 強磁性体 / 非線形光学 / 電子状態

本研究課題では、複数の相転移現象が多次元的に絡み合った新物質の創成および次世代光スピン科学現象の発現を目的として研究を推進し、光スピン相転移現象、キラル強磁性錯体における磁化誘起第二高調波発生の観測、電場誘起構造相転移現象などを錯体系で観測すると共に、イプシロン型‐酸化鉄のサブテラヘルツ帯における電磁波吸収、鉄-ロジウム薄膜における表面磁化誘起第二高調波発生の光スイッチングなどを達成した。

強相関電子系 / 光物性 / 強相関エレクトロニクス / 光スイッチ / 磁性 / 光誘起相転移 / スイッチング現象 / 絶縁体金属転移 / 有機電荷移動錯体 / 電荷移動吸収 / モット転移

本研究では、強相関電子系を対象とし、光励起によって伝導性、光物性、磁性が高速に変化する光誘起相転移(スイッチング現象)の開拓とその物理的機構の解明を目的として研究を進めた。主要な成果は以下のとおりである。
○二次元的な電子構造を有するモット絶縁体である有機電荷移動錯体M_2P-F_4TCNQにおいて、超高速の光誘起絶縁体一金属転移を見出した。詳細な過渡反射スペクトルとその時間変化の測定から、光誘起金属状態の寿命は0.4ピコ秒であり極めて速いこと、金属状態は二次元的な性質を有することが明らかとなった。この様な高速の緩和は、強相関二次元系に特有のものであると解釈される。
○一次元モット絶縁体である有機電荷移動錯体BEDTTTF-F_2TCNQ結晶において、超高速の光誘起絶縁体一金属転移を見出した。重要な結果は、非常に弱い強度の励起(分子あたり0.003光子の励起)であっても、金属的挙動が見られたことである。このような弱励起による金属的状態の生成は、強相関一次元系に特有のスピン電荷分離の性質に基づくものであると結論された。
○強相関電子系を有する代表的な金属錯体である一次元ヨウ素架橋白金錯体において、光誘起電荷密度波(CDW)-モットハバード相転移を見出した。この転移の効率が非常に高いこと(一光子あたり約70白金サイト)、および、この系を強励起するとCDW状態から金属状態への転移が生じることを明らかにした。すなわち、この物質では、電荷密度波、モットババード、金属の三相間の相転移が可能であることが実証された。
以上のように、本研究を通して、新規光誘起相転移の開拓に成功するとともに、その機構解明を達成することができた。

【研究分担者】
山内邦彦	大阪大学	産業科学研究所	助教	(Kakenデータベース)
堀田知佐	東京大学	大学院総合文化研究科	准教授	(Kakenデータベース)