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論文

Atomic reconstruction induced by uniaxial stress in MnP

小澤 竜也*; 藤原 理賀; 内原 猛*; 満田 節生*; 矢野 真一郎*; 玉造 博夢; 宗像 孝司*; 中尾 朗子*

Scientific Reports (Internet), 13, p.13750_1 - 13750_8, 2023/08

https://doi.org/10.1038/s41598-023-40806-1
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Multidisciplinary Sciences)

圧力は、電子状態と原子配列の両方に作用し、物性を劇的に変化させる可能性を持つ。リン化マンガンMnPでは、約8GPaの等方圧力下において、Mn化合物で初めて、超伝導状態が観測された。本研究では、一軸応力がMnPの磁性および結晶構造に及ぼす影響を調査した。磁化測定と中性子回折実験により、0.04GPaという極めて低い一軸応力で、不可逆的な磁化応答が観測され、同時に、MnP型構造に特有の擬回転対称性を満たす結晶ドメインが誘起されることがわかった。不可逆的な磁化応答は、誘起された新たなドメインの構造により説明できることが判明した。一軸応力によって誘起される結晶ドメインに関する研究は過去に例がなく、我々はこの新現象を「原子再構成(AR)」と名付けることとした。我々は、AR現象に対する理解の深化は、誘電性、弾性、電気伝導、磁性、超伝導を含む物質の異方性を制御する結晶ドメイン工学の創出につながると期待している。

論文

Spin gap in the weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet KCuPO$$_{4}$$$$cdot$$H$$_{2}$$O

藤原 理賀; 萩原 雅人; 森田 克洋*; 村井 直樹; 幸田 章宏*; 岡部 博孝*; 満田 節生*

Physical Review B, 107(5), p.054435_1 - 054435_8, 2023/02

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.054435
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)

$$S$$ = 1/2ハイゼンベルグ直線鎖反強磁性体は、最も単純なスピンモデルであるが、様々な量子多体現象のプラットフォームを提供する。この論文では、準一次元反強磁性体KCuPO$$_{4}$$$$cdot$$H$$_{2}$$Oの磁性を報告した。$$T_{rm{N}}$$ = 11.7(1) Kにおいて、格子整合な長距離反強磁性秩序が形成され、その磁気モーメントの大きさは0.31(1) $$mu_{rm{B}}$$である事がわかった。また鎖内相互作用$$J$$と鎖間相互作用$$|J'|$$の大きさはそれぞれ172Kと4.25(4) Kと見積もられ、$$|J'|$$/$$J$$の比は0.0247(3)である。中性子非弾性散乱実験により、$$T_{rm{N}}$$より高温では、一次元ハイゼンベルグ量子スピン鎖の特徴である連続体励起スペクトルが観測され、$$T_{rm{N}}$$より低温では、分散励起にスピンギャップが観測された。これらの結果は、弱く結合した$$S$$ = 1/2ハイゼンベルグスピン鎖系で観測される性質と一致する。

論文

Birchite Cd$$_{2}$$Cu$$_{2}$$(PO$$_{4}$$)$$_{2}$$SO$$_{4}$$ $$cdot$$ 5H$$_{2}$$O as a model antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg $${it J}$$$$_{1}$$-$${it J}$$$$_{2}$$ chain

藤原 理賀; Jeschke, H. O.*; 森田 克洋*; 桑井 智彦*; 幸田 章宏*; 岡部 博孝*; 松尾 晶*; 金道 浩一*; 満田 節生*

Physical Review Materials (Internet), 6(11), p.114408_1 - 114408_8, 2022/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.114408
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)

$${it S}$$ = 1/2ハイゼンベルグ$${it J}$$$$_{1}$$-$${it J}$$$$_{2}$$反強磁性鎖は、エキゾチックなスピン状態の発現が予想されており、広く研究されている。この論文では、birchiteと呼ばれる銅鉱物、化学式Cd$$_{2}$$Cu$$_{2}$$(PO$$_{4}$$)$$_{2}$$SO$$_{4}$$$$cdot$$5H$$_{2}$$Oの磁気挙動とその有効スピンモデルについて報告する。帯磁率,磁化,比熱,$$mu$$SR測定による実験的研究から、0.4Kまで長距離秩序を示さないことがわかった。理論研究から、birchiteは$${it J}$$$$_{1}$$-$${it J}$$$$_{2}$$反強磁性鎖のモデル化合物であり、鎖内相互作用$${it J}$$$$_{1}$$、$${it J}$$$$_{2}$$は反強磁性的で、その大きさは鎖間相互作用の約100倍であることがわかった。$${it J}$$$$_{2}$$の大きさは$${it J}$$$$_{1}$$の大きさの2$$sim$$3倍であるため、スピンギャップは$${it J}$$$$_{1}$$の数%に過ぎないと予想される。比熱の温度依存性は約1Kでブロードなピーク($$approx$$ 0.036$${it J}$$$$_{1}$$)を示し、スピンギャップの存在が示唆された。

論文

Gapless spin liquid in a square-kagome lattice antiferromagnet

藤原 理賀*; 森田 克洋*; Mole, R.*; 満田 節生*; 遠山 貴巳*; 矢野 真一郎*; Yu, D.*; 曽田 繁利*; 桑井 智彦*; 幸田 章宏*; et al.

Nature Communications (Internet), 11, p.3429_1 - 3429_7, 2020/07

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17235-z
 被引用回数：37 パーセンタイル：90.63(Multidisciplinary Sciences)

Observation of a quantum spin liquid (QSL) state is one of the most important goals in condensed-matter physics, as well as the development of new spintronic devices that support next-generation industries. The QSL in two-dimensional quantum spin systems is expected to be due to geometrical magnetic frustration, and thus a kagome-based lattice is the most probable playground for QSL. Here, we report the first experimental results of the QSL state on a square-kagome quantum antiferromagnet, KCu$$_6$$AlBiO$$_4$$(SO$$_4$$)$$_5$$Cl. Comprehensive experimental studies via magnetic susceptibility, magnetisation, heat capacity, muon spin relaxation, and inelastic neutron scattering measurements reveal the formation of a gapless QSL at very low temperatures close to the ground state. The QSL behavior cannot be explained fully by a frustrated Heisenberg model with nearest-neighbor exchange interactions, providing a theoretical challenge to unveil the nature of the QSL state.

論文

Uniaxial-pressure control of magnetic phase transitions in a frustrated magnet CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ (x =0, 0.018)

中島 多朗*; 満田 節生*; 高橋 慶一郎*; 吉冨 啓祐*; 増田 一也*; 金子 周史*; 本間 勇紀*; 小林 悟*; 北澤 英明*; 小坂 昌史*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 81(9), p.094710_1 - 094710_8, 2012/09

https://doi.org/10.1143/JPSJ.81.094710

We have investigated effects of applied uniaxial pressure ($$p$$) on magnetic phase transitions in a triangular lattice antiferromagnet CuFeO$$_{2}$$ (CFO) and a slightly Ga-substituted compound CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ (CFGO) with $$x$$ = 0.018. We have performed neutron diffraction, spherical neutron polarimetry, magnetic susceptibility and pyroelectric measurements under $$p$$ up to 100 MPa applied on the [1$$bar1$$0] surfaces of the single crystal samples.

論文

Uniaxial-pressure control of magnetic phase transitions in a frustrated magnet CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ ($$x$$ = 0, 0.018)

中島 多朗*; 満田 節生*; 高橋 慶一郎*; 吉冨 啓祐*; 増田 一也*; 金子 周史*; 本間 勇紀*; 小林 悟*; 北澤 英明*; 小坂 昌史*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 81(9), p.094710_1 - 094710_8, 2012/09

https://doi.org/10.1143/JPSJ.81.094710
 被引用回数：13 パーセンタイル：63.29(Physics, Multidisciplinary)

We have investigated effects of applied uniaxial pressure ($$p$$) on magnetic phase transitions in a triangular lattice antiferromagnet CuFeO$$_{2}$$ (CFO) and a slightly Ga-substituted compound CuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$ (CFGO) with $$x$$ = 0.018 by spherical neutron polarimetry. In both of CFO and CFGO ($$x$$ = 0.018), the application of $$p$$ significantly increases the transition temperature from the paramagnetic phase to a collinear incommensurate antiferromagnetic phase. This suggests that the application of $$p$$ breaks equilateral symmetry of the triangular lattice and partially relieves geometrical spin frustration, which generally suppresses long-range magnetic orderings. Thus we demonstrated that uniaxial pressure can be an effective tool to control magnetic phase transitions in frustrated magnets.

論文

Magnons and electromagnons in a spin-lattice-coupled frustrated magnet CuFeO$$2$$ as seen via inelastic neutron scattering

中島 多朗*; 須能 梓*; 満田 節生*; 寺田 典樹*; 木村 尚次郎*; 金子 耕士; 山内 宏樹

Physical Review B, 84(18), p.184401_1 - 184401_7, 2011/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.184401
 被引用回数：33 パーセンタイル：76.21(Materials Science, Multidisciplinary)

We have investigated spin-wave excitations in a four-sublattice (4SL) magnetic ground state of a frustrated magnet CuFeO$$_2$$, in which "electromagnon" excitation has been discovered by recent terahertz time-domain spectroscopy. We have performed high-energy-resolution inelastic neutron scattering measurements in the 4SL phase, resolving fine structures of the lower-energy spin-wave branch near the zone center. We have developed a model Hamiltonian to describe the spin-wave excitations. The determined Hamiltonian parameters have successfully reproduced the spin-wave dispersion relations and intensity maps obtained in the inelastic neutron scattering measurements. The results of the spin-wave analysis have also revealed physical pictures of the magnon and electromagnon modes in the 4SL phase, suggesting that collinear and noncollinear characters of the two spin-wave modes are the keys to understand the dynamical coupling between the spins and electric dipole moments in this system.

論文

Exchange-striction associated with the elliptical proper helical magnetic structure in the ferroelectric phase of CuFe$$_{1-y}$$Ga$$_{y}$$O$$_{2}$$

寺田 典樹*; 中島 多朗*; 満田 節生*; 松田 雅昌; 加倉井 和久; 田中 義人*; 北澤 英明*

Journal of Physics; Conference Series, 211(1), p.012005_1 - 012005_6, 2010/01

https://doi.org/10.1088/1742-6596/211/1/012005
 被引用回数：2 パーセンタイル：66.93(Physics, Applied)

Detailed magnetic structure in the ferroelectric phase of CuFe$$_{1-y}$$Ga$$_{y}$$O$$_{2}$$ has been recently determined to be proper helical structure with the ellipcity of $$sim$$ 0.9 by the comprehensive neutron diffraction study. In the present study, we have investigated the lattice modulation associated with the elliptical magnetic structure, using resonant X-ray diffraction measurements on CuFe$$_{0.965}$$Ga$$_{0.035}$$O$$_{2}$$. We observed the superlattice reflection indexed as (0, 1+2$$q$$$$_{rm m}$$, 0), where $$q$$$$_{rm m}$$ is the wave number of the magnetic modulation. The energy spectrum near the Fe-$$K$$ absorption edge for the superlattice peak intensity conforms with that for the fundamental (0, 2, 0) intensity, suggesting that the superlattice modulation is at least associated with the displacements of the Fe ions, The origin of the superlattice modulation is discussed within the exchange-striction model.

論文

Identification of microscopic spin-polarization coupling in the ferroelectric phase of magnetoelectric multiferroic CuFe$$_{1-x}$$Al$$_x$$O$$_2$$

中島 多朗*; 満田 節生*; 稲見 俊哉; 寺田 典樹*; 大隅 寛幸*; Prokes, K.*; Podlesnyak, A.*

Physical Review B, 78(2), p.024106_1 - 024106_10, 2008/07

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.024106
 被引用回数：34 パーセンタイル：77.4(Materials Science, Multidisciplinary)

We have performed synchrotron X-ray and neutron diffraction measurements on magnetoelectric multiferroic CuFe$$_{1-x}$$Al$$_x$$O$$_2$$ (x=0.0155), which has a proper helical magnetic structure with incommensurate propagation wave vector in the ferroelectric phase. The present measurements revealed that the ferroelectric phase is accompanied by lattice modulation with a wave number 2$$q$$, where $$q$$ is the magnetic modulation wave number. We have calculated the Fourier spectrum of the spatial modulations in the local electric polarization using a microscopic model proposed by T. Arima. Comparing the experimental results with the calculation results, we found that the origin of the 2$$q$$-lattice modulation is the variation in the metal-ligand hybridization between the Fe$$^{3+}$$ ions and O$$^{2-}$$ ions. Combining the present results with the results of a previous polarized neutron diffraction study, we conclude that the microscopic origin of the ferroelectricity in CuFe$$_{1-x}$$Al$$_x$$O$$_2$$ is the variation in the metal-ligand hybridization with spin-orbit coupling.

口頭

Study of complex magnetic structures in frustrated magnets by means of polarized neutrons

加倉井 和久; 脇本 秀一; 松田 雅昌*; 石渡 晋太郎*; 奥山 大輔*; 田口 康二郎*; 十倉 好紀*; 西 正和*; 中島 多朗*; 満田 節生*; et al.

no journal, , 

In studying modern functional materials, one is often confronted with complex spin configurations, for example, non-collinear, incommensurate magnetic structure such as helimagnetic structure as a result of frustrated magnetic interactions. Since the giant functional responses in these materials are direct consequences of these complicated magnetic structures, the detailed knowledge of the structure is mandatory to understand the essence of the magnetic functional materials. In this presentation some recent results on complex magnetic materials such as frustrated and multiferroic systems are reported, where the polarized neutron investigations provided important insight into the complex behavior of these functional materials.

口頭

3次元中性子偏極解析及び共鳴X線散乱を用いたマルチフェロイックCuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$のらせん磁気相における磁気・結晶構造の精密探査

金子 周史*; 中島 多朗*; 満田 節生*; 寺田 典樹*; 脇本 秀一; 武田 全康; 加倉井 和久; 田中 良和*

no journal, , 

三角格子反強磁性体CuFeO$$_{2}$$は幾何学的スピンフラストレーションを内包しており、磁場印加や磁性を担うFe$$^{3+}$$イオンをわずか数%の非磁性イオンで置換することにより誘起される螺旋磁気構造が結晶の反転対称性を破ることで螺旋軸方向([110])に自発分極P110が発生するマルチフェロイック物質として注目されている。この発表では基底状態が強誘電相であるCuFe$$_{1-x}$$Ga$$_{x}$$O$$_{2}$$(x=0.035)において最近発見された従来のP110とは独立したc-軸方向の電気分極Pcの発現に関する(1)三次元中性子偏極解析による螺旋磁気構造解析及び、(2)Fe, CuのK端での共鳴X線散乱実験による結晶構造解析の結果を報告する。

口頭

チェッカーボード格子反強磁性体KCuPO$$_4$$H$$_2$$Oの磁性

藤原 理賀; 森田 克洋*; 満田 節生*; 岡部 博孝*; 幸田 章宏*; 村井 直樹; 萩原 雅人

no journal, , 

チェッカーボード格子反強磁性体の初のモデル物質の候補としてKCuPO$$_4$$H$$_2$$Oを見出し、その磁性を調査している。帯磁率温度依存性は100K付近で低次元系特有のブロードピークを示し、$$T_{rm{N}}$$=10.5Kでは長距離磁気秩序の形成示唆する鋭いピークを示す。磁気励起スペクトルを見ると、$$T_{rm{N}}$$以上ではギャップレスなスピノン励起が、$$T_{rm{N}}$$以下では、1meV程度の大きなギャップが観測されている。これらの実験結果を再現可能な有効スピン模型に関しても調査している。

口頭

自発格子変形を伴わない磁性誘電マルチフェロイクスCuFe$$_{0.95}$$Al$$_{0.05}$$O$$_{2}$$の一軸応力・磁場中放射光x線による探査

内原 猛*; 玉造 博夢; 石井 祐太*; 中尾 裕則*; 竹端 寛治*; 今中 康貴*; 満田 節生*

no journal, , 

非磁性希釈によって自発格子変形を抑制したマルチフェロイックCuFe$$_{0.95}$$Al$$_{0.05}$$O$$_{2}$$において、(本来の)自発格子変形を助長する方向に一軸応力を印加することで新奇の強誘電相が誘起され、さらにその強誘電分極は磁場によって抑制できるという、いわば磁気ピエゾ効果と呼ぶべき現象を見出した。本研究では、本現象の微視的機構を探査するために一軸応力・磁場中での放射光X線散乱実験を行った。その結果、電気分極は磁場によって抑制されるのに対し、格子定数の温度変化には顕著な磁場効果が見られなかった。この結果は、一軸応力誘起相における電気分極の起源として、格子変形だけではなく磁気構造との結合が重要であることを示唆している。本発表では、本系のコリニアな磁気構造はスピン誘導型強誘電性を示さないことを考慮に入れつつ、磁気ピエゾ効果の微視的起源について議論する。

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