Spontaneous topological Hall effect induced by non-coplanar antiferromagnetic order in intercalated van der Waals materials

高木 寛貴*; 高木 里奈*; 見波 将*; 野本 拓也*; 大石 一城*; 鈴木 通人*; 柳 有起*; 平山 元昭*; Khanh, N.*; 軽部 皓介*; et al.

Nature Physics, 19(7), p.961 - 968, 2023/07

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02017-3

In ferromagnets, electric current generally induces a transverse Hall voltage in proportion to the internal magnetization. This effect is frequently used for electrical readout of the spin up and down states. While these properties are usually not expected in antiferromagnets, recent theoretical studies predicted that non-coplanar antiferromagnetic order with finite scalar spin chirality - meaning a solid angle spanned by neighboring spins - can induce a large spontaneous Hall effect even without net magnetization or external magnetic field. This phenomenon, the spontaneous topological Hall effect, can potentially be used for the efficient electrical readout of the antiferromagnetic states, but it has not been experimentally verified due to a lack of appropriate materials hosting such magnetism. Here, we report the discovery of all-in-all-out type non-coplanar antiferromagnetic order in triangular lattice compounds CoTaS and CoNbS. These compounds are reported to host unconventionally large spontaneous Hall effect despite their vanishingly small net magnetization, and our analysis reveals that it can be explained in terms of the topological Hall effect that originates from the fictitious magnetic field associated with scalar spin chirality. These results indicate that the scalar spin chirality mechanism offers a promising route to the realisation of giant spontaneous Hall response even in compensated antiferromagnets, and highlight intercalated van der Waals magnets as a promising quasi-two-dimensional material platform to enable various nontrivial ways of electrical reading and possible writing of non-coplanar antiferromagnetic domains.

Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound

高木 里奈*; 松山 直文*; Ukleev, V.*; Yu, L.*; White, J. S.*; Francoual, S.*; Mardegan, J. R. L.*; 速水 賢*; 齋藤 開*; 金子 耕士; et al.

Nature Communications (Internet), 13, p.1472_1 - 1472_7, 2022/03

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29131-9

Magnetic skyrmions are topologically stable swirling spin textures with particle-like character, and have been intensively studied as a candidate of high-density information bit. While magnetic skyrmions were originally discovered in noncentrosymmetric systems, recently a nanometric skyrmion lattice has also been reported for centrosymmetric rare-earth compounds. For the latter systems, a novel skyrmion formation mechanism mediated by itinerant electrons has been proposed, and the search of a simpler model system allowing for a better understanding of their intricate magnetic phase diagram is highly demanded. Here, we report the discovery of square and rhombic lattices of nanometric skyrmions in a centrosymmetric binary compound EuAl, by performing small-angle neutron and resonant elastic X-ray scattering experiments. Unlike previously reported centrosymmetric skyrmion-hosting materials, EuAl shows multiple-step reorientation of the fundamental magnetic modulation vector as a function of magnetic field, probably reflecting a delicate balance of associated itinerant-electron-mediated interactions. The present results demonstrate that a variety of distinctive skyrmion orders can be derived even in a simple centrosymmetric binary compound, which highlights rare-earth intermetallic systems as a promising platform to realize/control the competition of multiple topological magnetic phases in a single material.

Development of spin-contrast-variation neutron powder diffractometry for extracting the structure factor of hydrogen atoms

三浦 大輔*; 熊田 高之; 関根 由莉奈; 元川 竜平; 中川 洋; 大場 洋次郎; 大原 高志; 高田 慎一; 廣井 孝介; 森川 利明*; et al.

Journal of Applied Crystallography, 54(2), p.454 - 460, 2021/04

AA2020-0724.pdf:2.05MB

https://doi.org/10.1107/S1600576721000303

山形大学が原子核物理実験用に開発した結晶試料の核スピン偏極技術を、スピンコントラスト偏極中性子回折測定法に展開し、水素核偏極化されたグルタミン酸を用いて粉末結晶試料中の水素の配向および凝集・分散などの構造情報を抽出できることを実証した。

Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 2; Neutron scattering instruments

中島 健次; 川北 至信; 伊藤 晋一*; 阿部 淳*; 相澤 一也; 青木 裕之; 遠藤 仁*; 藤田 全基*; 舟越 賢一*; Gong, W.*; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(3), p.9_1 - 9_59, 2017/12

https://doi.org/10.3390/qubs1030009

J-PARC物質・生命科学実験施設の中性子実験装置についてのレビューである。物質・生命科学実験施設には23の中性子ビームポートがあり21台の装置が設置されている。それらは、J-PARCの高性能な中性子源と最新の技術を組み合わせた世界屈指の実験装置群である。このレビューでは、装置性能や典型的な成果等について概観する。

Contrast variation by dynamic nuclear polarization and time-of-flight small-angle neutron scattering, 1; Application to industrial multi-component nanocomposites

能田 洋平*; 小泉 智*; 増井 友美*; 間下 亮*; 岸本 浩通*; 山口 大輔; 熊田 高之; 高田 慎一; 大石 一城*; 鈴木 淳市*

Journal of Applied Crystallography, 49(6), p.2036 - 2045, 2016/12

https://doi.org/10.1107/S1600576716016472

We have reported the first attempt with dynamic nuclear polarization (DNP) and contrast variation small-angle neutron scattering (SANS) experiments on model mixtures for industrial tyres conducted at the MLF of J-PARC. We performed time-of-flight SANS (TOF-SANS) experiments, employing neutrons with a wide range, which causes imperfect neutron polarization and variations in the coherent and incoherent scattering lengths. By carefully eliminating the effect of imperfect neutron polarization, separation of the partial scattering functions was successfully demonstrated for the ternary system styrene-butadiene-rubber/silica/carbon.

レーザーピーニング施工したアルミニウム合金の疲労強度に及ぼす圧縮残留応力効果

竹田 和也*; 大石 将之*; 秋田 貢一; 大谷 眞一*; 佐野 健二*; 齋藤 利之*

日本材料学会第44回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.51 - 55, 2010/07

アルミ合金のLP施工材における疲労特性に及ぼす圧縮残留応力の効果を検討した。疲労負荷中の残留応力変化をX線によって測定した。残留応力は疲労の第1サイクルにおいて負荷応力に応じて緩和し、その後はほぼ一定であった。1サイクル後の残留応力を平均応力とみなすことで、疲労寿命に及ぼす残留応力の効果を定量的に評価することができた。

セル内三次元測距に関する研究(先行基礎工学研究に関する共同研究報告書)

白石 昌武*; 青島 伸一*; 青瀬 晋一; 竹内 正行

JNC TY8400 2003-007, 43 Pages, 2003/04

JNC-TY8400-2003-007.pdf:1.99MB

セル内に設置されている機器、塔槽類、配管等は、使用目的の変更や経年劣化によって更新される。設置場所が大型セルの場合、交換、据付を遠隔操作で行うこととなり、したがって現場での位置あわせが困難である。従来からこれの自動位置決め法が強く要求されている。そのためには、まずそれらの機器や配管の状態(劣化や亀裂など)を診断する必要がある。つまり、亀裂の状態、腐食の状態、劣化の程度等を何らかの方法で検出かつ判断しなければ、機器交換の時期を知ることはできない。そこで本研究では機器や配管等の劣化状態を診断するため、レーザ光とカメラを用いたコントラスト法を提案し、キズの検出および劣化のオンライン診断法を構築した。次に機器交換を行うための情報取得を行うため、絶対基準位置を設けかつ交換用マニピュレータを含めた全体の位置を把握することを目的とした粗動計測法を提案した。そして粗動で計測できない陰影部分に対しては、移動計測可能な装置をマニピュレータ上に搭載することで局所的な計測が行える微動計測法を提案し、それによる情報取得を行った。これら二つの計測系で相互の情報補完を行い、得られたデータを適宜処理することにより機器交換時の位置決め制御の情報提供を行う新しい手法の提案を行った。そして最後に今後の展開として、VR(バーチャルリアリィテー)によるマニピュレータ操作の可能性について、途中経過を述べる。

水の放射線分解で生じる水素のオンライン収率測定

山下 真一; 勝村 庸介; 広石 大介*; 村上 健*

no journal, , 

水の放射線分解で生成する水素分子(H)の収率(値)は、軽水炉の水質管理など原子力分野の安全管理で重要なほか、放射線誘起化学変化の初期過程とも深く関連し、荷電粒子のエネルギー付与の空間分布やトラック内ダイナミクスを知るうえで必要な知見と言える。このHの収率をオンラインで測定する装置を製作し、線照射時のH収率測定を実施した。オンラインであることに付随する配管上の問題点を改善することにより、感度及び精度を向上させ、線では50Gy程度の照射で生じるHを定量することに成功した。これまでの報告されているHの収率と本研究での測定結果との比較から、装置のパフォーマンスが妥当であることも確認された。

Neutron studies on soft matter by TAIKAN; Tough hydrogels "Double network gels"

富永 大輝; 鈴木 淳市*; 高田 慎一; 篠原 武尚; 奥 隆之; 中谷 健; 稲村 泰弘; 鈴谷 賢太郎; 相澤 一也; 新井 正敏; et al.

no journal, , 

ナノ科学の発展や複雑多相系・多成分系,非平衡系などの研究の進展により、近年、中性子小角散乱法にはさらに高い空間分解能や時間分解能での高効率測定という機能が求められるようになってきている。このような科学的要請及び中性子源性能の向上という技術的背景の下、大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設(MLF)でパルス中性子小中角散乱装置「大観」の開発が進められている。一般に、白色パルス中性子ビームを利用するパルス中性子小角散乱法は単色定常中性子ビームを利用する定常中性子小角散乱法と比べて広いq領域の同時測定の点で有利とされる。これを活かした広いq領域(約510-3 10A-1)の同時測定を高効率かつ高精度に実現する「大観」の開発について、ソフトマターに主眼を置いて、高強度ダブルネットワークハイドロゲルの中性子散乱の研究をもとに発表する。

Software development of the smaller-angle neutron scattering instrument TAIKAN of J-PARC

高田 慎一; 鈴木 淳市*; 篠原 武尚; 中谷 健; 稲村 泰弘; 伊藤 崇芳*; 奥 隆之; 大石 一城*; 岩瀬 裕希*; 富永 大輝; et al.

no journal, , 

J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)のBL15に設置された小中角中性子散乱装置「大観」は、2011年度より本格的に始動する装置であり、q=約510[]から約10[]の広い空間領域の構造情報を高強度で効率よく測定可能な装置である。そのため、金属や蛋白質等を含む種々のナノ粒子、さらに、これらのナノ粒子が形成する高次構造系や非平衡系、ナノ粒子を内在する工学材料の構造と機能を解明し、新奇機能材料の開発指針を与える装置となることが期待されている。現在、この装置の駆動機器を制御するための制御用ソフトウェア、並びに、データリダクションや解析等を行う解析用ソフトウェアの開発を行っている。本発表では、装置性能を紹介するとともに、開発中の制御用,解析用ソフトウェアについての条件設定、表示方法、解析手順などの開発状況を報告する。