ウラン半導体に磁気の「強弱の波」を発見 ―層状磁性体の磁気制御に向けた新たな手がかり―

2026-08-21 日本原子力研究開発機構

日本原子力研究開発機構(JAEA)の研究チームは、層状ウラン半導体α-UTe₃で、ウラン原子の磁気が単純に反対方向へ並ぶだけでなく、磁気モーメントの大きさが周期的に強弱を繰り返す「磁気の強弱の波」を発見した。純良単結晶について核磁気共鳴(NMR)と単結晶中性子回折を組み合わせて解析した結果、低温でウラン磁気が特定方向を向き、鎖状に並ぶ磁気が交互に反対向きになる一方、その振幅が結晶中で周期的に変化する「非整合な振幅変調型反強磁性」を形成することが判明した。これは、電子が主にウラン原子近傍にとどまる半導体でも、磁気の強い方向性と原子間の磁気的相互作用の競合によって複雑な磁気秩序が生じ得ることを示す。今後、薄層化や層間への元素挿入、圧力印加などで磁気状態を制御し、省エネルギー型磁気情報素子や量子材料への応用を目指す。

ウラン半導体に磁気の「強弱の波」を発見 ―層状磁性体の磁気制御に向けた新たな手がかり―

<関連情報>

5f電子系ファンデルワールス半導体磁性体α-UTe3における振幅変調型の非整合反強磁性 Incommensurate antiferromagnetism with amplitude modulation in the semiconducting 5⁢ van der Waals magnet −UTe3

Hironori Sakai, Chihiro Tabata, Koji Kaneko, Yoshifumi Tokiwa, Takafumi Kitazawa, Shinsaku Kambe, Yo Tokunaga, and Yoshinori Haga
Physical Review B  Published: 7 August, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/jls4-6s89

Abstract

α−UTe3, a van der Waals (vdW) actinide compound with a monoclinic ZrSe3-type structure, is a narrow-gap semiconductor with 5⁢ƒ moments. 125Te NMR reveals strongly anisotropic, layer-confined spin fluctuations below ∼20K, with the -axis component enhanced, and a signal wipeout at the antiferromagnetic (AFM) transition TN=5K. Single-crystal neutron diffraction finds q≈(0.17,0.5,0) and a longitudinal sinusoidal modulation of α-axis moments (amplitude ≈0.8μ⁢B) with AFM stacking along . A crystal electric field singlet-singlet induced-moment framework accounts for the easy-axis anisotropy, the small heat-capacity anomaly at TN, the reduced ordered moment, and the exchange-driven selection of q in this localized 5ƒ vdW magnet, establishing a constrained exchange geometry stabilizing this in-plane incommensurate state.

1701物理及び化学
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