課題番号 ：S-20-MS-1036
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：有機ラジカル量子磁性体の低温構造と磁気状態の解明
Program Title (English) ：Study on the low-temperature crystal structure and magnetic states of
organic quantum magnets
利用者名（日本語） ：細越裕子, 高橋大輝, 谷口慶, 古家日向, 清水雄紀, 仲野希一
Username (English) ：Y. Hosokoshi, H. Takahashi, K. Taniguchi, H. Koie, Y. Shimizu, K. Nakano
所属名（日本語） ：大阪府立大学大学院理学系研究科
Affiliation (English) ：Graduate School of Science, Osaka Prefecture University.

１．概要（Summary ）
有機ラジカル磁性体は、スピン‐軌道相互作用の小さい理想的なハイゼンベルグスピン系を形成するため、その量子磁気状態に興味が持たれている。有機結晶は温度低下に伴う格子収縮率が大きいため、低温磁性の理解には低温構造を明らかにすることが重要である。本研究は、有機ラジカルを用いた分子性磁性体の低温構造解析から磁気モデルを構築し、量子磁気状態を考察した。

２．実験（Experimental）
大阪府立大学において合成した有機ラジカルおよびその錯体結晶について、微小結晶用単結晶X線回折装置Rigaku社MERCURY HiPiX-AFCを用いて、低温構造解析を行った。結晶をガラスキャピラリーに接着剤でマウントし25Kまで冷却した。電子スピン共鳴装置(Bruker社EMX,E500)を用いたXバンド測定を、クライオスタットESR900,ESR910を用いて室温～1.5Kの温度範囲で行った。

３．結果と考察（Results and Discussion）
有機ラジカルを基盤とする分子性結晶の低温構造解析を行い、量子磁気状態と関連付けた。ここでは、有機ラジカルカチオンを用いた量子フェリ磁性鎖について述べる。トリフェニルフェルダジルの3位のフェニル基をメチルピリジニウムカチオンに置換したカチオンラジカル(S=1/2)について、磁性アニオンFeCl4-（S=5/2）との塩を合成し、S=1/2とS=5/2が交互に配列したフェリ磁性鎖を形成させることに成功した。25Kにおける単結晶構造解析で決定した座標値を用い、分子軌道計算(Gaussian,UB3LYP/6-31G)を行ったところ、弱い結合交替（交替比0.85）を持つフェリ磁性鎖が形成されることが明らかになった。磁気測定の結果、1.5Kにおいて40Tで磁化がS=3に飽和すること、5-30Tの磁場領域で磁化が一定値をとる磁化プラトーが観測された。磁化プラトーでは S=2のフェリ磁性スピン状態が形成されており、磁化の量子化の観測に成功した。

４．その他・特記事項（Others）
機器利用は分子科学研究所 岡野芳則氏、藤原基靖氏の支援を受けた。科研費19H04550の援助を受けた。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
H. Yamaguchi, Y. Iwasaki, Y. Kono, T. Okita, A. Matsuo, M. Akaki, M. Hagiwara, and Y. Hosokoshi, Phys.Rev.B, vol.102 (2020) 060408(R)/1-5.
(2) H. Yamaguchi, T. Okita, Y. Iwasaki, Y. Kono,
N. Uemoto, Y. Hosokoshi, T. Kida, T. Kawakami, A. Matsuo, M. Hagiwara, Scientific Reports, vol.10 (2020) 9193/1-5
(3) Y. Iwasaki, T. Okabe, N. Uemoto, Y. Kono, Y. Hosokoshi, S. Nakamura, S. Kittaka, T. Sakakibara, M. Hagiwara, T. Kawakami, and H. Yamaguch, Phys.Rev.B, vol.101(2020)174412/1-6
(4) Y. Kono, T. Okabe, N. Uemoto, Y. Iwasaki, Y. Hosokoshi, S. Kittaka, T. Sakakibara, and H. Yamaguchi, Phys. Rev. B, vol.101 (2020) 014437/1-6

６．関連特許（Patent）
なし