Magnetoferroelectric phase transition induced by latent spin-lattice coupling in the geometrically frustrated magnet

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

Physical Review B, 111(13), p.134403_1 - 134403_9, 2025/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.134403

In multiferroic CuFeAlO, applying uniaxial pressure generates a magnetoferroelectric phase distinct from the well-studied spin-driven ferroelectric phase associated with helical magnetic ordering in this system. Using a four-circle neutron diffractometer, the magnetic structure of the -induced magnetoferroelectric phase is determined as the collinear sinusoidal type, which itself does not break the inversion symmetry in this system. Additionally, synchrotron radiation X-ray diffraction experiments are conducted to investigate how the triangular lattice in CuFeAlO is distorted by applied . Although lattice distortion during the magnetic phase transition in CuFeAlO is mitigated by the substitution of nonmagnetic Al, the application of along the conjugate direction revives the "latent" spin-lattice coupling, causing the triangular lattice to distort during magnetic phase transition. The application of a magnetic filed considerably reduces -induced ferroelectric polarization, but does not affect lattice distortion. These results indicate that -induced ferroelectric polarization is not a consequence of the piezoelectric effect. Instead, the sinusoidal magnetic structure would contribute to the emergence of -induced ferroelectric polarization through spin-lattice coupling.

Magnetite stoichiometry (Fe(II)/Fe(III)) controls on trivalent chromium surface speciation

Scaria, J.*; Pdrot, M.*; Fablet, L.*; 蓬田 匠; Nguyen, T. T.*; Sivry, Y.*; Catrouillet, C.*; Pradas del Real, A. E.*; Choueikani, F.*; Vantelon, D.*; et al.

Environmental Science & Technology, 59(11), p.5747 - 5755, 2025/03

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c12899

クロム(Cr)とマグネタイトの相互作用メカニズムを理解し予測することは、環境中のCrの物地球化学的挙動を解明し、最適な土壌浄化および水処理戦略を開発する上で特に重要である。最も毒性の高いCr(VI)がCr(III)に還元されて除去されることは広く報告されているが、Cr(III)のマグネタイトへの吸着に関わる正確なメカニズムは解明されていなかった。本研究では、Cr(III)溶液と10nmサイズのマグネタイトの相互作用を調べた。本研究では、pHとマグネタイトの化学量論の双方がCr(III)吸着メカニズムに及ぼす複合的な影響を調べることで、Cr(III)-(hydr)Oxide沈殿の生成が必ずしも溶液からのCr(III)の除去を駆動するプロセスではないことが明らかになった。これらの結果は、環境中のCrの輸送と終着点の予測、およびマグネタイトを用いたCr浄化プロセスの開発に役立つと期待される。

Massive Dirac magnons in the three-dimensional honeycomb magnetic oxide FeTiO

Chung, J.-H.*; Kwangwoo, S.*; Yokoo, Tetsuya R.; 植田 大地*; 今井 正樹; Kim, H.-S.; Kiem, D. H.; Han, M. J.*; 社本 真一

Scientific Reports (Internet), 15, p.5978_1 - 5978_10, 2025/02

https://doi.org/10.1038/s41598-025-90478-2

Two dimensional honeycomb ferromagnets host massless Dirac magnons which are a bosonic analogue of Dirac fermions in graphene. The Dirac magnons may become massive and topological when the time-reversal symmetry breaks and an energy gap opens up at the Dirac point, which was experimentally observed in Cr-based van der Waals magnets. Here, we investigate the spin wave excitations in the magnetic oxide FeTiO with Fe electrons (). Using inelastic neutron scattering, we observe two magnon bands separated by a 1.2-meV gap at the Dirac points indicating that its Dirac magnons are massive. Using the linear spin-wave and density functional theory calculations, we find that the spin-orbit-coupled antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya exchanges can best account for the observed Dirac gap opening. The associated Berry curvature and Chern number () indicate that FeTiO hosts topological spin excitations via time-reversal symmetry breaking of Dirac magnons.

Electronic phase diagram of itinerant electron metamagnet UCoAl

前田 瑞穂*; 松田 達磨*; 芳賀 芳範; 白崎 謙次*; 木村 憲彰*

Journal of the Physical Society of Japan, 94(2), p.024707_1 - 024707_6, 2025/01

https://doi.org/10.7566/JPSJ.94.024707

We investigate the pressure dependence of the magnetoresistivity and Hall resistivity for an itinerant-electron metamagnet UCoAl. The first-order metamagnetic transition point varies as a function of hydrostatic pressure and terminates at the critical pressure 2.0 GPa. The electronic system, however, does not show criticality at this pressure but extends to higher pressures, unlike the usual quantum critical behavior.

Pearlite growth kinetics in Fe-C-Mn eutectoid steels; Quantitative evaluation of energy dissipation at pearlite growth front via experimental approaches

Zhang, Y.-J.*; 梅田 岳昌*; 諸岡 聡; Harjo, S.; 宮本 吾郎*; 古原 忠*

Metallurgical and Materials Transactions A, 55(10), p.3921 - 3936, 2024/10

https://doi.org/10.1007/s11661-024-07518-1

In this study, a series of eutectoid steels with Mn addition up to 2 mass% were isothermally transformed at various temperatures from 873 K to 973 K to clarify the pearlite growth kinetics and the underlying thermodynamics at its growth front. The microscopic observation indicates the acceleration in pearlite growth rate and refinement in lamellar spacing by decreasing the transformation temperature or the amount of Mn addition. After analyzing the solute distribution at pearlite growth front via three-dimensional atom probe, no macroscopic Mn partitioning across pearlite/austenite interface is detected, whereas Mn segregation is only observed at ferrite/austenite interface. Furthermore, in-situ neutron diffraction measurements performed at elevated temperatures reveals that the magnitude of elastic strain generated during pearlite transformation is very small.

合理的な処分のための実機環境を考慮した汚染鉄筋コンクリート長期状態変化の定量評価(委託研究); 令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東京大学*

JAEA-Review 2024-011, 121 Pages, 2024/09

JAEA-Review-2024-011.pdf:5.42MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和2年度に採択された研究課題のうち、「合理的な処分のための実機環境を考慮した汚染鉄筋コンクリート長期状態変化の定量評価」の令和2年度から令和4年度分の研究成果について取りまとめたものである。福島第一原子力発電所のコンクリート構造物の廃止措置では、廃棄物量や濃度を推計することが重要となる。本研究は、コンクリート部材における汚染濃度分布の定量予測を目的としている。コンクリート中の放射性核種の移動には、使用材料(セメント種類、骨材)、状態変化(ひび割れ、乾燥・炭酸化)、放射性核種との接触状態(冷却水と海水の混合、汚染水の濃度変化)等が影響を及ぼす。本研究では、実環境を考慮した放射性核種の浸透状況の推定に向けて、以下を実施した。経年変化したコンクリートの状態を数値解析上で再現するため、乾燥、再吸水によって生じる変形および水分移動に関するデータを取得した。並行して、剛体バネモデルを用いて、コンクリートの材齢変化および温度・水・応力条件を考慮できる、ひび割れの分布を計算する数値解析手法を開発した。コンクリートマトリクスへの長期的な核種の浸透挙動を評価するため、C-A-S-H系におけるCsやSrの収着に関するデータを取得し、熱力学的相平衡を考慮する多元素移動モデルに基づく、イオン浸透予測手法を構築した。構造的および化学的に変化したコンクリートへの放射性核種の浸透挙動を評価するために、ひび割れを有するコンクリートを事故後の汚染水組成相当の溶液に浸漬し、Cs、Srの浸透状況をオートラジオグラフィにより評価した。

Antiferromagnetism and phase stability of CrMnFeCoNi high-entropy alloy

Zhu, L.*; He, H.*; Naeem, M.*; Sun, X.*; Qi, J.*; Liu, P.*; Harjo, S.; 中島 健次; Li, B.*; Wang, X.-L.*

Physical Review Letters, 133(12), p.126701_1 - 126701_6, 2024/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.126701

It has long been suspected that magnetism could play a vital role in the phase stability of multi- component high-entropy alloys. However, the nature of the magnetic order, if any, has remained elusive. Here, by using elastic and inelastic neutron scattering, we demonstrate evidence of antiferromagnetic order below 80 K and strong spin fluctuations persisting to room temperature in a single-phase face-centered cubic (fcc) CrMnFeCoNi high-entropy alloy. Despite the chemical complexity, the magnetic structure in CrMnFeCoNi can be described as -Mn-like, with the magnetic moments confined in alternating (001) planes and pointing toward the 111 direction. Combined with first-principles calculation results, it is shown that the antiferromagnetic order and spin fluctuations help stabilized the fcc phase in CrMnFeCoNi high-entropy alloy.

非接触測定法を用いた燃料デブリ臨界解析技術の高度化(委託研究); 令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東京工業大学*

JAEA-Review 2024-013, 48 Pages, 2024/07

JAEA-Review-2024-013.pdf:1.99MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和4年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和3年度に採択された研究課題のうち、「非接触測定法を用いた燃料デブリ臨界解析技術の高度化」の令和4年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、非接触のアクティブ中性子法により燃料デブリの臨界安全上の特性を評価する測定システムの開発と、燃料デブリ取出し作業員の安全確保方策の確立に資する基盤技術として多領域積分型動特性解析コードの開発により燃料デブリ臨界解析技術を高度化することを目的としており、令和3年度から令和5年度の3年計画の2年目として東京工業大学、産業技術総合研究所、長岡技術科学大学が連携して実施した。検出器設計最適化のために新たに基礎実験を行って取得したデータを用いて、中性子輸送計算コードの妥当性及び不確かさを評価することで解析精度の向上を図った。この基礎データを基にした輸送計算コードを用いたパラメトリックサーベイにより、検出器の配置やHeガス圧、減速材、遮蔽材、中性子源配置の最適化を実施することにより検出器を設計した。遅発中性子による核分裂も考慮可能な多領域積分型動特性解析コードMIK2.0-MVPを開発し、予備検証としてGODIVA炉超臨界実験の再現解析を実施した。この結果より、MIK2.0-MVPコードでは、MIK1.0コードが有する計算機能に加えて、遅発中性子による核分裂の効果を考慮することができるようになり、MIK2.0-MVPコードと粒子法コードの弱連成解析の土台となる新たな機能を確立することができた。以上の活動により本研究の令和4年度の目的を達成することができた。

薄膜の垂直磁気異方性

高梨 弘毅; 関 剛斎*

まぐね, 19(3), p.100 - 106, 2024/06

薄膜の垂直磁気異方性は、磁気記録のみならずスピントロニクスにおいても重要な役割を果たしている。本解説記事では、垂直磁気異方性に関して、磁気多層膜、規則合金膜、希土類遷移金属アモルファス合金多層膜、不均一膜やグラニュラー膜など、垂直磁化を持つ具体例を示しながら、基礎からこれまでの研究、そして最近の研究動向を概説する。それぞれの具体例について、構造対称性の破れによる界面磁気異方性、ひずみによる磁気弾性異方性、バルクの結晶磁気異方性、原子の方向性規則配列などの垂直磁気異方性の物理的起源を議論する。

Numerical analysis of melt penetration behavior in the control rod drive housing of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Unit-2

Li, X.; 山路 哲史*; 佐藤 一憲*; 山下 拓哉; 永江 勇二

Proceedings of 11th European Review Meeting on Severe Accident Research Conference (ERMSAR 2024) (Internet), 12 Pages, 2024/05

For Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1F) Unit-2, the muon radiography investigation results indicate that the fuel debris are largely retained inside the RPV. The current study focuses on the analysis of metallic melt penetration behavior in the CRD housing with Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. A three-dimensional CRD housing model with simplified inner structures was established. The injection of SS-Zircaloy eutectic melt into the CRD housing was simulated and its downstream penetration and freezing behavior under vertically varying temperature boundary conditions was analyzed. It is found that the melt would start to freeze and form channel blockages soon after it enters the region with a relatively cold boundary in the downstream.