銅鉱物に由来するカゴメ磁性体の磁気構造を特定～フラストレーションが作り出す渦巻構造の起源解明に貢献～

井原 慶彦

物理学部門

2022年7月12日

カペラサイト鉱のカゴメネットワーク上で実現している磁気構造。1→2→３の順番に磁気モーメント（赤矢印）を見ていくと、正のカイラリティでは磁気モーメントが時計回りに、負のカイラリティでは反時計回りに回転するという違いがある。右に示す磁気構造では全ての3角形上で負のカイラリティが実現している。

【ポイント】

• 中性子回折実験と核磁気共鳴実験の長所を組み合わせることで、渦巻状の磁気構造を特定。
• フラストレーション効果の大きいカゴメ磁性体において磁気秩序が安定化される仕組みを解明。
• 量子効果を示す次世代磁性材料開発の進展に貢献。

【概要】
北海道大学大学院理学研究院の井原慶彦講師らの研究グループは、オックスフォード大学クラレンドン研究所の大熊隆太郎博士、東京大学物性研究所の広井善二教授らとの共同研究により、カペラサイト鉱と呼ばれる銅鉱物に由来するカゴメ反強磁性体においてベクトルカイラリティがそろった磁気秩序構造が実現していることを発見しました。

カゴメ反強磁性体では磁性の担い手である銅イオンが3角形の頂点に配置されているために、銅イオンが持つ磁気モーメントが互いに反平行を向く基本的な反強磁性構造を取ることができません。これによりフラストレーションを感じた磁気モーメントは極低温までふらふらと揺らぎ続けるため、量子効果が強く表れた不思議な磁気状態が出現することが期待されます。しかし、量子効果を反映した多様な磁気構造を実験的に特定することは困難であり、これまでに磁気構造を明らかにした研究はわずか数例しかありません。本研究では、整列した磁気モーメントの周期的パターンを捉えることができる中性子回折実験と、磁気モーメントの局所的な配置を観測できる核磁気共鳴実験を相補的に用いることで、非常に低い温度で安定化される磁気秩序構造の決定に成功しました。

今回、カペラサイト鉱において観測された磁気構造では、局所的な磁気モーメントの渦巻構造が試料全体にわたって一様にそろっています。このような渦巻状の磁気構造では、熱流の方向を磁場で曲げる熱ホール効果や低エネルギーでの磁気情報伝達など、量子効果を反映した磁気特性が現れます。カペラサイト鉱の磁気構造を特定したことで、基礎科学研究の観点からこの磁気構造に由来する量子磁性の起源解明を促進するだけでなく、量子磁性材料としてスピントロニクス分野や量子情報分野への応用研究に貢献することも期待されます。

なお、本研究成果は、2022年7月1日（金）公開のPhysical Review B誌に掲載されました。

論文名：Negative-chirality order in the S = 1/2 kagome antiferromagnet CdCu₃(OH)₆(NO₃)₂⋅H₂O（S=1/2カゴメ反強磁性体CdCu₃(OH)₆(NO₃)₂⋅H₂Oにおける負のカイラリティ秩序）
URL：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.024401

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