カイラル結晶構造と反強磁気秩序の自発的出現 ～時間と空間の反転対称性が同時に破れた新奇構造を発見～

カイラル結晶構造と反強磁気秩序の自発的出現～時間と空間の反転対称性が同時に破れた新奇構造を発見～

2024年4月26日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　准教授　南部雄亮

【発表のポイント】

空间反転と时间反転の対称性が逐次的?自発的に破れる物质を発见しました
カイラル结晶构造が出现し、そのもとで一次元反强磁性イオン锁が叁角格子を介してつながる反强磁気构造を、放射光Ｘ线散乱?中性子散乱によって明らかにしました
トポロジカル电子状态を示しうる新奇な物质を提案するものです

【概要】

茨城大学大学院理工学研究科の下田愛海さん（研究当時大学院生、現在：キオクシア株式会社勤務）、茨城大学原子科学研究教育センターの岩佐和晃教授を中心とするグループは、茨城大学大学院理工学研究科の桑原慶太郎教授、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の佐賀山基准教授と中尾裕則准教授、総合科学研究機構中性子科学センターの石角元志副主任技師と中尾朗子副主任研究員、J-PARCセンターの河村聖子研究副主幹と村井直樹研究員と大原高志研究主幹、東北大学金属材料研究所?高等研究機構の南部雄亮准教授の協力のもと、Remeika相化合物（注 1）のうちネオジム?ロジウム?錫（スズ）を含むNd₃Rh₄Sn₁₃が示す结晶构造相転移と磁気秩序の详细を明らかにし、空间反転と时间反転の対称性が逐次的?自発的に破れる相転移を発见しました。

结晶中の原子配列の対称性は物质の性质を决定づける因子です。例えば、原子が存在する物质领域とその外侧の真空の境界で空间反転対称性（注 2）が破れた场合、物质内部が絶縁体であっても、境界表面では电流が生じるというディラック电子状态が知られています。また、右手と左手、あるいは右ネジと左ネジのような対掌性の関係にある构造は、镜に映る実像と虚像の関係にありますが、右と左それぞれは反転対称性が失われています。このようなカイラル対称性においてもワイル电子と呼ばれる特殊な电子状态が现れ、実効的には质量のない电子が运动する半金属状态が期待されています。

本研究グループは、このような空间反転対称性の破れた结晶构造に自発的に相転移し、さらに磁気秩序によって时间反転対称性（注 2）も破れうる物质を开拓すべく、搁别尘别颈办补相化合物狈诲₃Rh₄Sn₁₃を详しく调べました。その结果、この物质がカイラル対称结晶构造に相転移し、さらに反强磁気秩序化することを明らかにしました。特に、ネオジムイオンの一次元锁状格子の磁気モーメントが反强磁気状态を取りつつ、隣接する一次元锁と叁角格子を介して连结して叁次元构造をとるという特徴を明らかにしました。このような対称性の破れは新たなトポロジカル电子状态（注3）を示唆するものと期待できます。

本成果は、Physical Review B 誌のEditors' Suggestionとして2024年4月16日付で公開されました。

図１： (a) 360 K (87℃)と(b)200 K (マイナス73℃)で測定した放射光X線データ。低温で新しい回折ピークが現れ、結晶構造が変化したことがわかる。(c) (d) この放射光X線回折実験によって決定した結晶構造（VESTAによる描画）。(c)を左手に対応させると、(d)は右手に相当する対掌のカイラル対称結晶構造になっている。ネオジムは2種類（緑色のNd1と青色のNd2）存在し、それらが一次元的に並んでいる鎖が左回り、あるいは右回りで配置するように見える。左右それぞれの結晶構造は空間反転対称性が破れている。

【用语解説】

（注 1）Remeika相化合物 :
1980年代初頭にJ. P. Remeikaらが発見した化合物の総称であり、希土類元素?遷移金属元素?錫あるいはゲルマニウムなどが3 : 4 : 13の比で化合した物質を指します。錫あるいはゲルマニウムなどで形成されたカゴ状の格子が、希土類元素と遷移金属元素を介して集積した結晶構造をとります。Remeika相には超伝導体、重い電子系（近藤物質）、磁性体などが知られています。合成当初から元素の組み合わせによって異なる結晶構造が現れると指摘されていましたが、最近、反転対称性の破れたカイラル構造をとる物質が見つかっています。

（注 2）空間反転対称性と時間反転対称性 :
物质をある点の周りで反転させたとき、原子配列が反転前の配列と同等である场合、空间の反転に対して対称であると言います。さらにそのような物质で生じる物理现象も反転操作によって変化しないことを含めて空间反転対称性があると言います。逆に反転によって构造や现象が异なる场合に空间反転対称性が破れたと言います。磁场や磁気モーメントは円环电流によって生じます。仮に时间を反転すると、电流方向は逆転し、磁场や磁気モーメントも逆向きになります。このように时间反転によって状态や现象が変化する场合、时间反転対称性は破れていると言い、磁性体の秩序化は典型例です。

（注 3）トポロジカル電子状態 :
トポロジー（位相几何学）の数学では、连続的な変形によっても変化しない不変量で物体の形状を分类します。物质中の电子は量子力学による波动関数で表现されます。例えば空间反転に対する波动関数の偶奇性で表されるような特徴によって分类すると、一见异なる电子状态が类似した性质を普遍的に示すようになります。この偶奇性のような电子波动関数の変形によって変化しないトポロジカルな不変量によって、物质ごとの组成や构造の详细によらない电子状态を表现できます。

详细（プレスリリース本文）