51探花

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　酒井英明

【発表のポイント】

• 高温超伝导体などの层状酸化物では层数を変化させるホモロガス系列^（注１）により物性を系统的に制御できる设计指针が确立されています。一方トポロジカル量子物质^（注２）ではこうした体系的指针がありませんでした。
• トポロジカルなディラック电子^（注３）状态を示す正方格子磁性体で初めて、层数制御が可能なホモロガス系列を実现する物质系を発见しました。　
• 磁気状态だけでなくディラック电子状态も、层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质を层数により设计する新しい指针となるため、物质开発が加速することが期待されます。

【概要】

高温超伝导体や强诱电体などの层状酸化物では、结晶构造の层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设计を目指した物质开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质では、そのような体系的な设计指针は确立されていませんでした。

东北大学金属材料研究所の酒井英明教授（研究开始时：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（当时）らの研究グループは、ディラック电子を持つ正方格子磁性体において、层数制御が可能なホモロガス系列を実现する物质系を発见しました。今回初めて合成に成功した二层系物质颁别₃Au₄Ge₂Bi₄において、层数を増やすことで磁気秩序が反强磁性からフェリ磁性^（注４）（强磁性的）へと変化するとともに、真空中では许されないほど大きく倾いた特异なディラック电子状态が现れることを実証しました。本成果は、トポロジカル量子物质において「层数」で磁性と电子状态を同时に设计する新しい物质开発法を提示するものであり、次世代量子物质の体系的な创製や新奇量子现象の开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、木田孝则助教、萩原政幸教授、西真辉学部生（当时）、村川寛助教、花咲徳亮教授、神戸市立工业高等専门学校の小岛达弘准教授、东京大学物性研究所の斋藤开助教、中岛多朗准教授、近藤雅起助教、徳永将史教授、総合科学研究机构の中尾朗子副主任研究员、日本原子力研究开発机构の木俣基研究副主干との共同研究によるものです。

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 Ce?Au?Ge?Bi? （下段中央の構造）は、一層系の HfCuSi? 型構造と無限層系の ThCr?Si? 型構造をつなぐ中間構造に相当する。

【用语解説】

注1. ホモロガス系列
结晶构造の基本ブロックを繰り返し积み重ねることで构成される物质群のこと。繰り返しブロックの数（层数）を変えることで、一连の関连した结晶构造が形成される。高温超伝导体や强诱电体などの层状酸化物では、ホモロガス系列を利用して物性を系统的に制御する物质设计が行われてきた。本研究では、この考え方をトポロジカル量子物质へ初めて拡张した。

注2. トポロジカル量子物質
物质内の电子の波动関数がねじれてしまい、真空とは异なるトポロジーにより电子状态が保护される物质群をトポロジカル物质と呼ぶ。さらに、その中で磁性や超伝导などの量子机能を併せ持つものがトポロジカル量子物质であり、外乱に対して非常に安定した物性を示すことから、次世代のスピントロニクスや量子计算への応用が期待されている。本研究の正方格子物质では、层数という结晶构造パラメータを制御することで、磁性とトポロジカルな性质を同时に操る「合理的な物质设计」が可能になる。

注3. ディラック電子
固体中で质量がゼロであるかのように振る舞い、散逸が少ない高い易动度で运动する特殊な电子のこと。エネルギーと运动量が直线的に比例する「円锥形（ディラックコーン）」の构造を持つのが特徴。本研究では、この円锥が极限まで倾いた特异な状态を実証した。

注4. フェリ磁性
物质中の磁石の元となる电子スピンが反平行に并びながらも、その大きさが异なるために完全には打ち消し合わず、全体として磁石のような性质（自発磁化）を示す磁気秩序。本研究で発见した颁别?础耻?骋别?叠颈4では、セリウム（颁别）の磁気モーメントが「上?下?上」に配列することでフェリ磁性が実现している。

【论文情报】

タイトル：A Dirac-like ferrimagnet Ce?Au?Ge?Bi? as a member of a homologous series of square-net topological materials
著者： A. Yamashita, R. Mizuno, M. Ochi, T. Kojima, H. Saito, T. Nakajima, A. Nakao, M. Kimata, M. Kondo, M. Tokunaga, T. Kida, M. Hagiwara, M. Nishi, H. Murakawa, N. Hanasaki, H. Sakai*
*责任着者：东北大学金属材料研究所　教授　酒井英明
掲載誌：Journal of the American Chemical Society
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详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 金属材料研究所
教授　酒井英明
罢贰尝：022-215-2022
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（报道に関すること）
東北大学 金属材料研究所
情报企画室広报班
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