日本國立研究開發法人原子能研究開發機構原子能科學研究所強關聯錒系元素科學研究團隊的酒井宏典研究主幹與德永陽團隊負責人、該機構強關聯材料物性研究團隊的金子耕士團隊負責人等人透過研究證實，在層狀鈾半導體「α-UTe₃（阿爾法・三碲化鈾）」單晶中，鈾原子的磁性除了沿相反方向交替排列之外，還存在隨位置變化的週期性「強弱波」調制結構。該成果有望推動新型量子材料開發。相關成果已發表在美國物理學會發行的《Physical Review B》的8月7日刊上，並被選為重點論文。
圖1: α-UTe₃的晶體結構（圖片提供：日本原子能研究開發機構）
α-UTe₃具備由鈾原子和碲原子組成的層疊結構。黃色所示部分對應層與層之間，層間以被稱為范德華力的弱力結合在一起。因此，α-UTe₃像石墨一樣容易剝離成薄層。
圖2（左）本研究中所使用的α-UTe₃的高品質單晶與（右）表示鈾原子磁性排列的磁結構模型（圖片提供：日本原子能研究開發機構）
為了便於觀察，右圖省略了碲原子，用紅色箭頭表示鈾原子的磁矩。箭頭方向表示磁性方向，長度表示磁性大小。低溫下，磁矩指向a軸方向，在b軸方向的鈾原子鏈中交替反向排列。另一方面，其大小隨a軸方向的位置週期性變強或變弱，形成磁性的「強弱波」
α-UTe₃是一種圍繞U的Te與Te之間以范德華力（弱力）層疊形成層狀結構的化合物（范德華物質），具有類似石墨（由石墨烯層層堆疊形成）的層狀晶體結構。
鈾化合物中，鈾原子中的電子有時會產生普通元素中見不到的磁性和超導特性。尤其是含鈾的范德華物質研究案例有限，物質中鈾原子磁性如何顯現、如何排列，此前幾乎沒有探明。對於α-UTe₃，同樣細節不明，僅知道低溫下會顯現磁性。
一般而言，具有磁性的半導體中，各原子所具有的磁性大小幾乎恆定，並有規律地排列。另一方面，在α-UTe₃晶體中，鈾原子規則地配置在等腰三角形頂點，若不表現磁性，則需要使相鄰鈾原子的磁性反向排列，但該條件無法同時滿足，因此此前認為產生了「磁挫折」。
因此，研究團隊對α-UTe₃晶體的物性展開了精密測試。研究團隊首先生長α-UTe₃單晶，成功獲得了可進行各種解析尺寸的單晶。隨後對電阻率、比熱、磁化強度實施精密測量，結果確認α-UTe₃是導電性差的半導體，在約5K及以下低溫呈現反鐵磁性。
此外，研究團隊還利用核磁共振（NMR）裝置調查了單個原子的磁性（局域磁性），利用中子散射測量裝置調查了晶體整體的磁結構。原子能科學研究所擁有可測量鈾化合物的NMR裝置，以及日本國內唯一可測量鈾化合物磁結構的中子散射測量裝置。
結果顯示，α-UTe₃在半導體中極為罕見地顯示出晶體內磁性大小波動的反鐵磁性。發現其磁性大小在晶體中並非恆定，而是隨晶體中的位置週期性反覆變強變弱的調制結構。這種磁性調制結構出現在電子能夠在晶體中自由運動的金屬中，在半導體中未曾觀測到。該現象被認為源自磁挫折以及鈾（5f電子）帶來的強磁各向異性。
已知石墨烯在成為單層石墨後，磁性和導電性等會發生很大變化，同樣α-UTe₃也可能出現變化。
酒井研究主幹表示：「我們計畫今後利用同步輻射光源等手段，深化對包含α‑UTe₃在內的各類層狀化合物的理解。此外，希望驗證透過剝離該晶體的層使其薄膜化，或在層間插入其他元素，能否控制強弱波的週期以及反鐵磁性出現的溫度。希望透過推進基礎研究，探索下一代磁性材料製備的設計準則。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review B
論文：Incommensurate antiferromagnetism with amplitude modulation in the semiconducting 5f van der Waals magnet α-UTe₃
DOI：doi.org/10.1103/jls4-6s89
