2024年 | プレスリリース?研究成果
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～
【本学研究者情報】
〇金属材料研究所 准教授 南部雄亮
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- 空間反転と時間反転の対称性が逐次的?自発的に破れる物質を発見しました
- カイラル結晶構造が出現し、そのもとで一次元反強磁性イオン鎖が三角格子を介してつながる反強磁気構造を、放射光Ｘ線散乱?中性子散乱によって明らかにしました
- トポロジカル電子状態を示しうる新奇な物質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が示す結晶構造相転移と磁気秩序の詳細を明らかにし、空間反転と時間反転の対称性が逐次的?自発的に破れる相転移を発見しました。
結晶中の原子配列の対称性は物質の性質を決定づける因子です。例えば、原子が存在する物質領域とその外側の真空の境界で空間反転対称性（注 2）が破れた場合、物質内部が絶縁体であっても、境界表面では電流が生じるというディラック電子状態が知られています。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構造は、鏡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電子と呼ばれる特殊な電子状態が現れ、実効的には質量のない電子が運動する半金属状態が期待されています。
本研究グループは、このような空間反転対称性の破れた結晶構造に自発的に相転移し、さらに磁気秩序によって時間反転対称性（注 2）も破れうる物質を開拓すべく、Remeika相化合物Nd3Rh4Sn13を詳しく調べました。その結果、この物質がカイラル対称結晶構造に相転移し、さらに反強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鎖状格子の磁気モーメントが反強磁気状態を取りつつ、隣接する一次元鎖と三角格子を介して連結して三次元構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電子状態（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。
【用語解説】
（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 :
物質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場合、空間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質で生じる物理現象も反転操作によって変化しないことを含めて空間反転対称性があると言います。逆に反転によって構造や現象が異なる場合に空間反転対称性が破れたと言います。磁場や磁気モーメントは円環電流によって生じます。仮に時間を反転すると、電流方向は逆転し、磁場や磁気モーメントも逆向きになります。このように時間反転によって状態や現象が変化する場合、時間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（位相幾何学）の数学では、連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類します。物質中の電子は量子力学による波動関数で表現されます。例えば空間反転に対する波動関数の偶奇性で表されるような特徴によって分類すると、一見異なる電子状態が類似した性質を普遍的に示すようになります。この偶奇性のような電子波動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、物質ごとの組成や構造の詳細によらない電子状態を表現できます。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所
准教授 南部 雄亮（なんぶ ゆうすけ）
TEL：022-215-2327
E-mail：nambu*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所
情報企画室広報班
TEL：022-215-2144
E-mail：press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
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