トポロジカル磁性体の新たな設計指針を確立 ― ディラック電子を持つ正方格子物質でホモロガス系列を発見 ―

2026-07-02 東北大学

東北大学を中心とする研究グループは、ディラック電子を有する正方格子磁性体において、層数を制御できる「ホモロガス系列」を初めて発見し、トポロジカル磁性体の新たな設計指針を確立した。新たに合成した二層系物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄ は、一層系と無限層系をつなぐ中間構造を持ち、層数の変化に伴って磁気秩序が反強磁性からフェリ磁性へ変化するとともに、ディラック電子状態も大きく変化することを実証した。特に、ディラックコーンが極端に傾いた特異な電子状態や、磁性とトポロジカル電子状態を同時に制御できることを明らかにした点が大きな成果である。従来、高温超伝導体などでは層数制御による物性設計が確立していた一方、トポロジカル量子物質には体系的な設計法が存在しなかった。本研究は、層数という構造パラメータを利用して磁性と電子状態を自在に設計する新たな材料開発手法を示し、スピントロニクスや量子情報デバイス、次世代量子材料の創製を加速する成果となった。

トポロジカル磁性体の新たな設計指針を確立 ― ディラック電子を持つ正方格子物質でホモロガス系列を発見 ―
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。

<関連情報>

ディラック型フェリ磁性体 Ce 3 Au 4 Ge 2 Bi 4は、正方格子トポロジカル物質の同族系列の一員である Dirac-Like Ferrimagnet Ce3Au4Ge2Bi4 as a Member of a Homologous Series of Square-Net Topological Materials

Atsushi Yamashita,Ryota Mizuno,Masayuki Ochi,Tatsuhiro Kojima,Hiraku Saito,Taro Nakajima,Akiko Nakao,Motoi Kimata,Masaki Kondo,Masashi Tokunaga,Takanori Kida,Masayuki Hagiwara,Masaki Nishi,Hiroshi Murakawa,Noriaki Hanasaki,and Hideaki Sakai
Journal of the American Chemical Society  Published July 1, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c03149

Abstract

Square-net compounds with the HfCuSi2-type framework have been a promising platform for realizing topological electronic states and their interplay with quantum many-body phenomena. In these materials, the transition-metal tetrahedral layer sandwiched between square-net layers plays a crucial role in determining the correlated physical properties, yet their structural variety has been limited to the single-layer type. Here, we report the discovery of Ce3Au4Ge2Bi4, a new square-net compound that represents the bilayer member of a homologous series bridging the HfCuSi2-type CeAuBi2 (112 phase) and ThCr2Si2-type CeAu2Ge2 (122 phase). The bilayer structure of Ce3Au4Ge2Bi4 is formed by combining two tetrahedral layers of the 112 phase through the insertion of a 122-like block, resulting in two mixed-anion antifluorite-type layers. Intriguingly, both the magnetic and electronic structures are substantially modified relative to the 112 phase. Single-crystal neutron diffraction reveals that the triple Ce layers coordinated by the tetrahedral bilayer exhibit a ferrimagnetic (up–down–up) order, which can be viewed as a combination of the antiferromagnetic orders in the 112 and 122 phases. First-principles calculations demonstrate that hybridization between Ce 5d-orbital in the spacer layer and Bi 6p-orbital in the square-net layer reshapes the band dispersion into a type-II Dirac-like band. Consistently, magnetotransport measurements show pronounced quantum oscillations with multiple frequencies and extremely light effective masses. These results establish Ce3Au4Ge2Bi4 as a prototype of a new homologous family of square-net-based topological magnets, where both magnetic order and Dirac-like band can be tuned by controlling the number of spacer layers. This tunable structural framework offers a strategy for the rational design of square-net materials with tailored functionalities.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました