【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　酒井英明
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 高温超伝導体などの層状酸化物では層数を変化させるホモロガス系列^（注１）により物性を系統的に制御できる設計指針が確立されています。一方トポロジカル量子物質^（注２）ではこうした体系的指針がありませんでした。
• トポロジカルなディラック電子^（注３）状態を示す正方格子磁性体で初めて、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。　
• 磁気状態だけでなくディラック電子状態も、層数に依存して大きく変化することを実証し、トポロジカル量子物質を層数により設計する新しい指針となるため、物質開発が加速することが期待されます。

【概要】

高温超伝導体や強誘電体などの層状酸化物では、結晶構造の層数を変化させるホモロガス系列に従って、キーとなる物性の自在な設計を目指した物質開発が行われてきました。一方、近年注目を集めるトポロジカル量子物質では、そのような体系的な設計指針は確立されていませんでした。

東北大学金属材料研究所の酒井英明教授（研究開始時：大阪大学大学院理学研究科）、大阪大学大学院理学研究科の山下淳志大学院生（当時）らの研究グループは、ディラック電子を持つ正方格子磁性体において、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。今回初めて合成に成功した二層系物質Ce₃Au₄Ge₂Bi₄において、層数を増やすことで磁気秩序が反強磁性からフェリ磁性^（注４）（強磁性的）へと変化するとともに、真空中では許されないほど大きく傾いた特異なディラック電子状態が現れることを実証しました。本成果は、トポロジカル量子物質において「層数」で磁性と電子状態を同時に設計する新しい物質開発法を提示するものであり、次世代量子物質の体系的な創製や新奇量子現象の開拓につながると期待されます。

本成果は、2026年7月1日正午（米国東部夏時間）に国際学術誌Journal of the American Chemical Societyにオンライン掲載されました。

なお本成果は、大阪大学大学院理学研究科の水野竜太特任助教（常勤）、越智正之准教授、木田孝則助教、萩原政幸教授、西真輝学部生（当時）、村川寛助教、花咲徳亮教授、神戸市立工業高等専門学校の小島達弘准教授、東京大学物性研究所の齋藤開助教、中島多朗准教授、近藤雅起助教、徳永将史教授、総合科学研究機構の中尾朗子副主任研究員、日本原子力研究開発機構の木俣基研究副主幹との共同研究によるものです。

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。 上段は強相関物性を示す層状酸化物のルドルスデン・ポッパー相、下段は本研究で発見した正方格子物質のホモロガス系列を示す。今回発見した二層系物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄ （下段中央の構造）は、一層系の HfCuSi₂ 型構造と無限層系の ThCr₂Si₂ 型構造をつなぐ中間構造に相当する。

【用語解説】

注1. ホモロガス系列
結晶構造の基本ブロックを繰り返し積み重ねることで構成される物質群のこと。繰り返しブロックの数（層数）を変えることで、一連の関連した結晶構造が形成される。高温超伝導体や強誘電体などの層状酸化物では、ホモロガス系列を利用して物性を系統的に制御する物質設計が行われてきた。本研究では、この考え方をトポロジカル量子物質へ初めて拡張した。

注2. トポロジカル量子物質
物質内の電子の波動関数がねじれてしまい、真空とは異なるトポロジーにより電子状態が保護される物質群をトポロジカル物質と呼ぶ。さらに、その中で磁性や超伝導などの量子機能を併せ持つものがトポロジカル量子物質であり、外乱に対して非常に安定した物性を示すことから、次世代のスピントロニクスや量子計算への応用が期待されている。本研究の正方格子物質では、層数という結晶構造パラメータを制御することで、磁性とトポロジカルな性質を同時に操る「合理的な物質設計」が可能になる。

注3. ディラック電子
固体中で質量がゼロであるかのように振る舞い、散逸が少ない高い易動度で運動する特殊な電子のこと。エネルギーと運動量が直線的に比例する「円錐形（ディラックコーン）」の構造を持つのが特徴。本研究では、この円錐が極限まで傾いた特異な状態を実証した。

注4. フェリ磁性
物質中の磁石の元となる電子スピンが反平行に並びながらも、その大きさが異なるために完全には打ち消し合わず、全体として磁石のような性質（自発磁化）を示す磁気秩序。本研究で発見したCe₃Au₄Ge₂Bi4では、セリウム（Ce）の磁気モーメントが「上−下−上」に配列することでフェリ磁性が実現している。

【論文情報】

タイトル：A Dirac-like ferrimagnet Ce₃Au₄Ge₂Bi₄ as a member of a homologous series of square-net topological materials
著者： A. Yamashita, R. Mizuno, M. Ochi, T. Kojima, H. Saito, T. Nakajima, A. Nakao, M. Kimata, M. Kondo, M. Tokunaga, T. Kida, M. Hagiwara, M. Nishi, H. Murakawa, N. Hanasaki, H. Sakai*
*責任著者：東北大学金属材料研究所　教授　酒井英明
掲載誌：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.6c03149

詳細（プレスリリース本文）

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