発表のポイント
- 高温超伝導体などの層状酸化物では層数を変化させるホモロガス系列により物性を系統的に制御できる設計指針が確立されています。一方トポロジカル量子物質ではこうした体系的指針がありませんでした。
- トポロジカルなディラック電子状態を示す正方格子磁性体で初めて、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。
- 磁気状態だけでなくディラック電子状態も、層数に依存して大きく変化することを実証し、トポロジカル量子物質を層数により設計する新しい指針となるため、物質開発が加速することが期待されます。
概要
高温超伝導体や強誘電体などの層状酸化物では、結晶構造の層数を変化させるホモロガス系列に従って、キーとなる物性の自在な設計を目指した物質開発が行われてきました。一方、近年注目を集めるトポロジカル量子物質では、そのような体系的な設計指針は確立されていませんでした。
東北大学金属材料研究所の酒井英明教授（研究開始時：大阪大学大学院理学研究科）、大阪大学大学院理学研究科の山下淳志大学院生（当時）らの研究グループは、ディラック電子を持つ正方格子磁性体において、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。今回初めて合成に成功した二層系物質Ce3Au4Ge2Bi4において、層数を増やすことで磁気秩序が反強磁性からフェリ磁性（注４）（強磁性的）へと変化するとともに、真空中では許されないほど大きく傾いた特異なディラック電子状態が現れることを実証しました。本成果は、トポロジカル量子物質において「層数」で磁性と電子状態を同時に設計する新しい物質開発法を提示するものであり、次世代量子物質の体系的な創製や新奇量子現象の開拓につながると期待されます。
本成果は、2026年7月1日正午（米国東部夏時間）に国際学術誌Journal of the American Chemical Societyにオンライン掲載されました。
なお本成果は、大阪大学大学院理学研究科の水野竜太特任助教（常勤）、越智正之准教授、木田孝則助教、萩原政幸教授、西真輝学部生（当時）、村川寛助教、花咲徳亮教授、神戸市立工業高等専門学校の小島達弘准教授、東京大学物性研究所の齋藤開助教、中島多朗准教授、近藤雅起助教、徳永将史教授、総合科学研究機構の中尾朗子副主任研究員、日本原子力研究開発機構の木俣基研究副主幹との共同研究によるものです。
詳細
- プレスリリース本文 [PDF: 1.2MB]
- Journal of the American Chemical Society [DOI: 10.1021/jacs.6c03149]
図1. 高温超伝導体などの開発を支えてきたホモロガス系列の設計法を、トポロジカル量子物質へ拡張。 上段は強相関物性を示す層状酸化物のルドルスデン・ポッパー相、下段は本研究で発見した正方格子物質のホモロガス系列を示す。今回発見した二層系物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄ （下段中央の構造）は、一層系の HfCuSi₂ 型構造と無限層系の ThCr₂Si₂ 型構造をつなぐ中間構造に相当する。