修士学生が挑む 高度な「フラストレーテッド」磁性材料の新発見！A Master-course Student Leads in Discovery of a Novel Frustrated Magnetic Material.

unet

修士課程を2025年3月に修了した久米田理桜さん（当学科の修士修了生第一期生）が中心となって行った最新の研究で、新しいタイプの磁性材料Co₂Ti₃O₈が合成され、その特異な磁気特性が明らかになりました。

フラストレーテッド磁性って何？

普通、磁石は決まった方向に磁気が揃いますが、「フラストレーション」（磁気のもどかしさ）は競合する磁気の力がうまく調和せず、複雑で興味深い磁気状態を作り出します。こうした材料では、スキルミオン（磁気の渦巻き状の構造）など未来の超小型データ記憶装置の鍵となる現象が期待されます。

Co₂Ti₃O₈の特徴

  • 独特な「ダイヤモンド格子」と呼ばれる原子配列にコバルトイオン(Co²⁺)が並ぶ
  • トポケミカル反応により低温で安定に合成できる
  • 約4.4ケルビン（-268.75℃）で反強磁性相転移を起こし、強い磁気フラストレーションを示す
  • 磁場を変えると段階的に磁気状態が切り替わる面白い性質がある

研究の意義

この成果は、フラストレーテッド磁性体の新しい設計指針を示し、量子マグネティズムの理解を深めるとともに、新素材探索の幅を広げます。

Crystal structures of Li₂CoTi₃O₈ (precursor) and Co₂Ti₃O₈ (product) after topochemical reaction. Li₂CoTi₃O₈（前駆体）とCo₂Ti₃O₈（生成物）の結晶構造（トポケミカル反応後）

A Master’s Student Leads in Discovery of a Novel Frustrated Magnetic Material

Rio Kumeda, who graduated as the very first master’s student from the Department of Applied Physics and Chemical Engineering in March 2025, spearheaded research that synthesized a new magnetic material called Co₂Ti₃O₈ and unveiled its unusual magnetic properties.

What is Frustrated Magnetism?

Normally, magnets have their magnetic moments aligned uniformly. However, in frustrated magnetic materials, competing magnetic interactions cannot all be satisfied at the same time, leading to complex and exotic magnetic states. Such materials hold promise for future technologies like ultra-compact magnetic memory devices based on magnetic vortices known as skyrmions.

Features of Co₂Ti₃O₈

  • Cobalt ions (Co²⁺) arranged in a diamond lattice structure
  • Synthesized stably at relatively low temperatures by a topochemical reaction
  • Exhibits antiferromagnetic transition at about 4.4 K (−268.75 °C) with significant magnetic frustration
  • Shows a multi-step transition between magnetic phases under applied magnetic fields

Importance of the Research

This achievement provides new insights and guidelines for designing frustrated magnetic materials, deepening our understanding of quantum magnetism and expanding the range of materials to explore.

https://doi.org/10.7566/JPSJ.94.084701 (Open, Full Article)

Authors: Rio Kumeda, Yuya Haraguchi, Daisuke Nishio-Hamane, Akira Matsuo, Koichi Kindo, and Hiroko Aruga Katori