反強磁性体CeNiGe$_3$の磁気構造と結晶場状態：中性子散乱とµSRによる研究

核心概念

CeNiGe3は、5.2 Kで単一の反強磁性秩序を示し、中性子回折により決定された螺旋状の磁気構造と、非弾性中性子散乱によって明らかになった結晶場励起を示します。

要約

CeNiGe3の磁気構造と結晶場状態に関する研究論文の概要

Kataria, A., Kumar, R., Adroja, D. T., Ritter, C., Anand, V. K., Hillier, A. D., Huddart, B. M., Lancaster, T., Rols, S., Koza, M. M., Langridge, S., & Sundaresan, A. (2024). Magnetic structure and crystal field states of antiferromagnetic CeNiGe3: Neutron scattering and µSR investigations. arXiv:2411.05656v1 [cond-mat.str-el].

本研究は、中性子粉末回折（NPD）、非弾性中性子散乱（INS）、ミュオンスピン緩和（µSR）測定を用いて、反強磁性体CeNiGe3の磁気構造と結晶場状態を微視的に調査することを目的としています。

抽出されたキーインサイト

Magnetic structure and crystal field states of antiferromagnetic CeNiGe$_3$: Neutron scattering and $\mu$SR investigations

by A. Kataria, ... 場所 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05656.pdf

深掘り質問

CeNiGe3の示す特異な磁気構造は、他の希土類化合物にも見られるのか？

CeNiGe3で見られるような、伝播ベクトル k = (0, 0.41, 1/2) を持つ非整合なヘリカル磁気構造は、他の希土類化合物でも観測されています。
例えば、同じSmNiGe3型斜方晶構造を持つCeCoGe3やCeCuGe3においても、類似の非整合ヘリカル磁気構造が報告されています。これらの化合物は、CeNiGe3と同様に、競合するRKKY相互作用と結晶場効果の影響を受けてこのような特異な磁気構造を示すと考えられています。
さらに、他の結晶構造を持つ希土類化合物でも、ヘリカル磁気構造は数多く見られます。

TbMnO3 (ペロブスカイト構造): 強誘電性と共存する非整合ヘリカル磁気構造を示します。
HoMn2O5 (マルチフェロイク): 磁気フラストレーションにより複雑なヘリカル磁気構造を示します。
CrSi2 (六方晶構造): カイラリティを持つヘリカル磁気構造を示し、近年注目されています。
このように、ヘリカル磁気構造は希土類化合物において普遍的に見られる磁気秩序の一つであり、その出現には結晶構造や電子状態、競合する相互作用などが複雑に絡み合っていると考えられています。

CeNiGe3の結晶場効果を考慮すると、その電子構造や輸送特性にどのような影響が考えられるのか？

CeNiGe3の結晶場効果は、Ce3+イオンの4f電子状態に大きく影響を与え、その結果、電子構造や輸送特性に以下のような影響を及ぼすと考えられます。

磁気異方性: 結晶場効果によりCe3+イオンの4f電子状態が分裂し、基底状態の縮退が解けることで、磁気異方性が生じます。CeNiGe3では、論文中で示されたように、磁化容易軸と磁化困難軸が存在し、これは結晶場異方性を反映しています。

電気伝導特性: 結晶場分裂により、フェルミ準位近傍の電子状態密度が変化し、電気伝導特性に影響を与えます。特に、CeNiGe3では、重い電子系の特徴である電気抵抗の温度依存性に見られる特徴的な振る舞いが、結晶場効果と近藤効果の競合によって説明できると考えられています。

熱電特性: 結晶場分裂は、ゼーベック係数などの熱電特性にも影響を与えます。CeNiGe3のような重い電子系材料では、大きな熱電能を示す可能性があり、結晶場効果による電子状態制御は、熱電材料開発において重要な役割を果たすと期待されています。

磁気熱量効果: 結晶場分裂は、磁場印加によるエントロピー変化を通じて、磁気熱量効果にも影響を与えます。CeNiGe3のような磁気秩序を持つ物質では、磁気熱量効果による冷却技術への応用が期待されており、結晶場効果の理解は、その性能向上に不可欠です。

量子コンピューティングの分野において、CeNiGe3のような磁気構造を持つ物質は、どのような応用が期待されるのか？

CeNiGe3のような複雑な磁気構造を持つ物質は、量子コンピューティングの分野において、特にトポロジカル量子コンピュータの実現に向けて、以下の様な応用が期待されています。

マヨラナフェルミオン: CeNiGe3のような重い電子系物質では、強いスピン軌道相互作用と磁気秩序の競合により、マヨラナフェルミオンと呼ばれる粒子のような励起状態が現れる可能性があります。マヨラナフェルミオンは、自身の反粒子と同一という特異な性質を持ち、ノイズに強い量子ビットとして期待されています。

トポロジカル超伝導体: CeNiGe3は、圧力誘起で超伝導を示すことが知られており、その超伝導状態はトポロジカルな性質を持つ可能性があります。トポロジカル超伝導体の界面や欠陥には、マヨラナフェルミオンが存在すると考えられており、量子ビットへの応用が期待されています。

磁気スキルミオン: CeNiGe3のような非整合ヘリカル磁気構造を持つ物質では、磁気スキルミオンと呼ばれる渦状のスピン構造が現れる可能性があります。磁気スキルミオンは、安定性が高く、低電流で駆動できることから、次世代の磁気メモリや論理演算素子への応用が期待されています。

量子スピン液体: CeNiGe3の持つフラストレーションの強い磁気構造は、量子スピン液体状態の実現にも繋がる可能性があります。量子スピン液体状態では、スピンが低温まで秩序化せず、量子もつれ状態が形成されます。この状態は、量子ビット間の相互作用を制御する上で重要であり、量子コンピュータの実現に不可欠な要素となります。

ただし、これらの応用は、まだ基礎研究段階であり、CeNiGe3の持つ量子状態の更なる解明が必要です。今後、物質設計やデバイス開発が進展することで、CeNiGe3のような磁気構造を持つ物質が量子コンピューティングの実現に貢献することが期待されます。