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GeCr2O4の合成と物性
～フラストレーションに悩む磁性体の研究～
東京農工大学 工学部
物理システム工学科4年
香取研究室 塚瀬成久
＜スピン＞
＜3d遷移金属元素＞
・電子は内部自由度であるスピンを持ち、二つのス
ピンを考えたとき、スピン間の相互作用が・・・
・ 3d遷移金属元素は閉殻構造をとらないため、磁性の原
因となる不対電子を生じる。本研究に関係するCrも含まれ
る。
強磁性的⇒二つのスピンは平行になるのが安定
反強磁性的⇒二つのスピンは反平行になるのが安定
＜フラストレーションとは？＞
＜ GeM2O4 ＞
・欲求が何らかの障害によって阻止され、満足さ
れない状態にあること。欲求不満。
・物理学の世界にもフラストレーションは存在する。
例えば本研究に関係する「幾何学的フラストレー
ション」は格子の幾何学性で磁気秩序が形成でき
ない状態のことをいう。
・ GeM2O4 （M：3d遷移金属元素）という物質は、先ほど
述べたスピネル構造の化学式に当てはまり、さらにパ
イロクロア構造であるBサイトに3d遷移金属元素を入れ
るので、幾何学的フラストレーションが内在する物質で
ある。
・ GeM2O4 についてわかっていることを表に簡単にまと
める。
＜幾何学的フラストレーション＞
・正三角形格子の各頂点に、スピン間の相互作用が
すべて反強磁性相互作用になるようにイジングスピン
を配置することを考えると、スピンの配列に競合が生
じるところが出てきてしまう。正四面体でも生じている。
※1：カゴメ格子面が12.13Kで面内強磁性、面間反強磁性秩
序を形成し、その後11.46Kで三角格子面が面内強磁性、面
間反強磁性秩序を形成
※2：スピネルが歪んだ構造、他の元素に比べてMnのイオン
半径が小さいためにオリビンになったといわれている。
※3：47Kで弱い強磁性、17Kで反強磁性、5.5Kで強磁性とス
パイラル秩序が混ざった状態へ
＜スピネル構造＞
＜目的＞
・スピネルはMgAl2O4で表される鉱物の名称。宝石。
・スピネル構造は化学式AB2X4で表される物質が持つ
構造の一つ。Aサイトでは元素Aの周りに元素Xが四面
体配位し、Bサイトでは元素Bの周りに元素Xが八面体
配位する。
・Bサイトのみに注目すると、パイロクロア格子を形成
している。パイロクロア格子は正四面体が頂点共有し
た形をしている。
・さらに、[1,1,1]方向（図の矢印の方向）から見ると、
三角格子面とカゴメ格子面が交互に積み重なった構
造をしていることがわかる。
⇒スピネル構造で最近接相互作用が反強磁性のとき、
幾何学的フラストレーションが生じる。
・このように、今挙げたGeM2O4は、Mに入れる3d遷移金
属元素を変えることでさまざまな秩序を形成し、非常に興
味深い。
・また、MにCrを入れた場合、今までのGeM2O4とは異な
る新たな磁気秩序を形成することが期待される。
・構造に関しては、CrはMnよりもイオン半径が小さいため、
スピネルよりもオリビン構造になるのではないかと予想さ
れる。
そこで本研究では、新たにMがCrの場合の磁性と
構造を知るために、 GeCr2O4という物質の合成と物
性測定を試みている。
＜参考文献＞
[1]安藤悠一：東京農工大学大学院物理システム工学専攻博士前期課程平成25年度
修士論文
[2]Takashi Honda, Yuki Ishiguro, Yusuke Wakabayashi, and Tsuyoshi Kimura (2012)