【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.17】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM5197

利用課題名 / Title

歪んだハニカム格子構造を持つGd2Rh3Al9の高圧合成と磁気特性

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

未利用資源の有効利用技術/ Technologies for effective utilization of unused resources

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

山浦 一成

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-213：卓上型粉末回折計_Cu_ASC_NC2

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究の目的は、歪んだハニカム格子構造を有する新規なGdベースの金属間化合物 Gd₂Rh₃Al₉の合成と、その磁気特性を解明することであった。特に、この化合物において磁気スキルミオンの存在可能性を探ることを目指していた。磁気スキルミオンは、トポロジカルに安定なスピン構造を持つ準粒子であり、次世代のスピントロニクスデバイスへの応用が期待されている。 Gd₂Rh₃Al₉は直方晶系構造を持ち、Gdイオンが歪んだハニカム格子を形成していた。このような格子構造は、通常の等方的なRKKY相互作用とは異なり、磁気異方性を誘起する可能性があるため、複雑な磁気相が現れることが予想された。また、Gd³⁺ (S = 7/2) のスピンが層内で反強磁性相互作用を示すことにより、層状構造特有の多Q状態が形成されることが期待された。これらの要素から、本化合物は新しい磁気相のホスト材料として有望であり、その詳細な磁気特性を解明することで、磁気スキルミオンの形成機構や安定化条件について新たな知見を得ることを目指した。また、本研究では高温高圧合成法を用いることで、通常の合成法では得られない結晶相を安定化させることを試みた。この合成法により、化学的組成や格子定数の微調整が可能となり、構造と物性の相関を詳細に調査することができた。これにより、Gdベースの新規金属間化合物の探索やスキルミオン材料の設計指針の確立に貢献することを目指した。

実験 / Experimental

 Gd₂Rh₃Al₉の合成には高温高圧合成法を用いた。この方法は、通常の条件では安定しない化学相を実現するために不可欠であり、特に多段式高圧装置 CTF-MA1500P を使用して合成を行った。原料として高純度の Gd、Rh、および Al を用い、これらを 2：3：9.9 のモル比で正確に計量して混合した。このモル比は、Y₂Co₃Ga₉型構造を持つ化合物の安定相を得るために最適化されたものであった。原料はh-BNカプセルに封入し、その外部にTaカプセルを用いて二重に保護した。このようなカプセル配置は、反応中に発生する化学反応を抑制し、純度の高い結晶を得るために重要であった。このカプセルを多段式高圧装置内に配置し、1600℃、6 GPaの高温高圧条件下で1時間加熱した。その後、900℃まで2時間かけて徐冷し、30秒以内に100℃以下まで急冷した。急冷することで、ターゲット相を安定化させ、不純物相の生成を防いだ。最終的に2時間かけて圧力を解放し、合成を完了させた。得られた試料は、BNカプセルの底部に集まった輝く灰色の結晶として現れた。結晶構造の解析にはX線回折を用い、回折パターンの解析から Y₂Co₃Ga₉型直方晶系構造を持つことを確認した。また、走査型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分光による化学組成の分析を行い、Gd：Rh：Al のモル比が 1.73：3.10：9.17 であることを確認した。このわずかなズレは、装置の精度の問題によるものであり、化学量論的な組成には大きな影響を与えないと考察した。磁気特性の測定には MPMS3 を使用し、2 Kから300 Kの温度範囲で磁化および磁化率の測定を行った。比熱の測定には PPMS を用いた緩和法を採用し、電気抵抗率の測定には四端子法を用いた。これらの物性測定はすべて多結晶試料を用いて行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Gd₂Rh₃Al₉は 13.6 K および 4.1 K での 2段階の反強磁性転移を示すことを確認した。磁化率の温度依存性から、反強磁性転移が歪んだハニカム層内の Gd^3＋の磁気モーメントの相互作用によって引き起こされていることが明らかになった。さらに、磁化の等温曲線から、15 kOe および 30 kOe に異常が観測され、これらはそれぞれ 13.6 K および 4.1 K に対応する磁気秩序の変化を示唆した。また、スキルミオン材料に典型的な磁気ヒステリシスやステップ状の異常は観測されなかったため、本化合物にはスキルミオン相は存在しないと結論付けた。しかし、反強磁性相互作用が非常に強いことから、スキルミオン形成の前駆状態の可能性が示唆され、単結晶試料を用いた詳細な測定が今後の課題とされた。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

公表済：H. Hiroaki, X. Kang, A. A. Belik, H. K. Yoshida, and K. Yamaura, High-pressure synthesis and magnetic properties of Gd2Rh3Al9 with a distorted honeycomb lattice, J. Solid State Chem. 330, 124487-1-6 (2024). doi:10.1016/j.jssc.2023.124487

DOI（論文・プロシーディング）：10.1016/j.jssc.2023.124487

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件