多様な元素置換が可能な歪んだ三角格子反強磁性体を開発~「複合アニオン化合物」で磁性の一次元化の謎に迫る~

2025-11-26 東京大学,名古屋大学,東北大学,J-PARCセンター,日本原子力研究開発機構

東京大学・名古屋大学・東北大学・J-PARCらの共同研究グループは、レニウム(Re)原子が異方的に歪んだ三角格子ネットワークを形成する複合アニオン化合物の新物質群7種を開発し、非磁性元素の置換によって磁性を自在に制御できることを示した。磁化測定や結晶構造解析、中性子散乱・ミュオン実験より、いずれの物質も低温で「磁性の一次元化」を示すことが判明。特にBa₃ReO₅Cl₂では60mKまで磁気相転移を起こさず、理論予測されていた朝永-ラッティンジャー液体に対応する一次元的磁気励起を観測した。これにより、元素置換を活用した量子磁性制御の新しい設計指針が得られ、異方的三角格子反強磁性体における量子スピン物性研究の進展が期待される。

多様な元素置換が可能な歪んだ三角格子反強磁性体を開発~「複合アニオン化合物」で磁性の一次元化の謎に迫る~
異方的三角格子反強磁性体における磁気フラストレーション(左)と低温における磁性の一次元化(右)

<関連情報>

レニウムオキシハライドの異方性三角格子における化学的に調整可能な量子磁性 Chemically tunable quantum magnetism on the anisotropic triangular lattice in rhenium oxyhalides

Masaki Gen,Daigorou Hirai,Katsuhiro Morita,Kazuhiro Nawa,Satoshi Kogane,Naofumi Matsuyama,Takeshi Yajima,Mitsuaki Kawamura,Kazuhiko Deguchi,Akihiro Koda,Maiko Kofu,Seiko Ohira-Kawamura,Taku J. Sato,Akira Matsuo,Koichi Kindo,Yoshimitsu Kohama & Zenji Hiroi
Nature Communications  Published:26 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-65913-7

Abstract

The spin-1/2 Heisenberg antiferromagnet on an anisotropic triangular lattice (ATL) is an archetypal spin system hosting exotic quantum magnetism and dimensional crossover. However, the progress in experimental research on this field has been limited due to the scarcity of ideal model materials. Here, we show that rhenium oxyhalides A3ReO5X2, where spin-1/2 Re6+ ions form a layered structure of ATLs, allow for flexible chemical substitution in both cation A2+ (A = Ca, Sr, Ba, Pb) and anion X (X = Cl, Br) sites, leading to seven synthesizable compounds. By combining magnetic susceptibility and high-field magnetization measurements with theoretical calculations using the orthogonalized finite-temperature Lanczos method, we find that the anisotropy J’ /J ranges from 0.25 to 0.45 depending on the chemical composition. Our findings demonstrate that A3ReO5X2 is an excellent platform for realizing diverse effective spin Hamiltonians that differ in the strength of the anisotropy J’ /J as well as the relevance of perturbation terms such as the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and interlayer exchange coupling.

1700応用理学一般
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