東京大学物性研究所の武田晃助教、Jian Yan研究員、山下穣准教授らは、中国科学院合肥物質科学研究院のYuping Sun教授のグループと共同で、トポロジカル磁性体の候補物質EuIn₂As₂において格子と非整合な周期のらせん磁性が発現することを解明し、この磁気構造が理論研究によって予想されるトポロジカル電子相の発現を妨げていることを提案しました。

近年、電子の波動関数が持つトポロジカルな性質が顕在化した電子物性の研究が盛んに行われています。固体中では電子のトポロジカルな性質はバンド構造に反映され、特異な電子物性を発現します。たとえば、トポロジカル絶縁体と呼ばれる物質群は、内部では絶縁性を示しながら表面では金属的な電気伝導性を示す特殊な電気伝導特性が現れます。このようなユニークな電子物性の発現する舞台として、最近いくつかの磁性金属が注目を集めています。磁性金属では、時間反転対称性の破れによって電子のバンド構造が変調され、非磁性のトポロジカル絶縁体には現れない新奇な電子物性が引き起こされることが期待されています。

本研究の対象物質EuIn₂As₂はそのようなトポロジカル磁性体の候補物質の一つです。EuIn₂As₂はInAs層とEu層が交互に積層した反強磁性金属であり、InAs層の電子が上下の層で反強磁性的に配列するEu²⁺イオンの磁化による影響を受けることで、アクシオン絶縁相と呼ばれるトポロジカル電子相が発現すると理論的に提案されて注目を集めています。ところが、実際に実現する磁気構造は複雑ならせん構造で、トポロジカル電子相が現れる磁気構造の条件を満たすか否か論争が起きていました（図1(a)）。

図1 （a）反強磁性金属EuIn_２As_２で実現するらせん磁気構造の模式図。青色の楕円、黄色の円柱はそれぞれEu、InAs層を表し、赤矢印はEu²⁺イオンの磁化を表す。InAs層ではEu²⁺イオンの磁化の影響を受けてトポロジカル電子相が発現する可能性が指摘されている。(b)c軸方位から眺めたEu²⁺イオンの磁化分布の模式図。Eu層内に外部磁場を印加すると、磁化の分布が磁場と垂直な方位に密集する半円、もしくは扇状の分布に変化する。(c)ゼロ磁場、もしくはEu層内に外部磁場を印加して観測される⁷⁵As核のNMRスペクトル。スペクトルの形状は⁷⁵As核位置に生じる内部磁場分布のヒストグラムに相当する。

そこで、我々は核磁気共鳴（NMR）測定を行い、EuIn₂As₂の磁気構造を調べました。⁷⁵As核に対するNMR測定の結果を解析することで、本物質のらせん磁気構造は格子と非整合な周期を持つことが判明しました。また、磁化の方位は結晶格子に強く固定されておらず、面内にわずかな磁場を印加すると直ちに扇状の磁気構造に変化することもわかり（図1(b), (c)）、トポロジカル電子相が実現する磁気構造の条件を満たさないことがわかりました。本物質でトポロジカル電子相を実現するには、今後、元素置換や圧力印加によって磁気構造を制御する工夫が必要となります。これまで本物質の磁気構造の研究には量子ビームの散乱・回折実験が利用されてきましたが、本研究ではNMRを利用して局所的な視点から磁気構造に迫ることに成功し、その有用性を示すことができました。

本研究は、日本学術振興会科学研究費（JP22KF0111、JP23H01116）などの助成を受け行われました。

論文情報

• 雑誌 : npj Quantum Materials
• 題名 : Incommensurate magnetic order in an axion insulator candidate EuIn₂As₂ investigated by NMR measurement
• 著者 : Hikaru Takeda, Jian Yan, Zhongzhu Jiang, Xuan Luo, Yuping Sun, Minoru Yamashita
• DOI : 10.1038/s41535-024-00680-0

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