實現世界首例無需超急冷即可獲得的強磁性二十面體準晶 ~高品質樣本的實現將使準晶磁性研究邁入新階段~

【研究摘要與重點】

在含有稀土元素的五元系Au-Cu-Al-In-R(R = Gd, Tb, Dy)合金中，透過一般的電弧熔煉和熱處理，成功地首次製備出穩定的強磁性二十面體準晶。

系統性地闡明了稀土元素種類(Gd, Tb, Dy)對磁性臨界行為的差異，並證明其起源在於準週期結構與自旋對稱性的結合。

本研究證實了準晶作為一個可透過組成設計來控制磁性臨界行為的新材料平台，預期將大大推動對準週期結構中磁性及量子現象的研究。

【研究概要】

東京理科大學先進工學部材料創成工學科的田村隆治教授等人組成的共同研究團隊，成功地首次透過一般的電弧熔煉和熱處理，製備出過去僅能透過熔融合金進行極高速冷卻的特殊「超急冷法(*1)」才能獲得的強磁性二十面體準晶(*2)。傳統的強磁性準晶是依賴超急冷獲得的亞穩態相，因此難以實現高品質化和精密的物性評估。本成果使強磁性準晶從特殊的亞穩態物質，發展成為可透過一般熱處理製備與高品質化的新型磁性材料群，為本格研究準週期結構中的磁相變及磁性臨界現象(*3)開啟了道路。

準晶(*4)是一種原子排列雖無週期性，但卻具有長程有序等廣泛規則性的特殊物質，因其與一般晶體不同的電子及熱學性質而備受關注。然而，強磁性準晶過去僅能透過超急冷獲得的亞穩態相，導致其本質磁性的理解十分困難。因此，本研究團隊認為實現無需超急冷即可獲得的準晶是解開此謎團的關鍵，並利用機器學習探索新的準晶候選物，進行其合成與物性評估。

此次，成功合成由Au(金)、Cu(銅)、Al(鋁)、In(銦)、R(R = Gd(釓)、Tb(鏑)、Dy(鏑)五種金屬元素組成的三種新型二十面體準晶。這些可透過一般的電弧熔煉和熱處理製備，並在長時間熱處理後仍能維持準週期結構，展現優異的熱穩定性。所有準晶均呈現明確的強磁性有序，同時磁性臨界行為因稀土元素種類而有系統性的差異，定量證實Gd系與平均場理論(*5)有顯著偏差，而Tb及Dy系則呈現平均場行為。這些結果表明，準晶中的磁性臨界行為是由準週期結構與自旋對稱性(*6)的結合所決定，並提示了透過選擇稀土元素可控制磁性臨界行為的新材料設計方針。

此外，本研究是一項融合材料科學、物性物理、晶體學及AI的跨學科研究，其意義也在於透過機器學習預測並實際合成發現新物質。

更進一步，本成果為無需超急冷即可製備強磁性準晶開闢了道路，並提供了本格研究準週期結構中磁相變及量子現象的基礎。

本研究成果已於2026年7月7日在國際學術期刊「Journal of the American Chemical Society」線上刊登。

【研究背景】

晶體與非晶質材料的磁性研究已進行多年，對磁性有序的理解已大有進展。另一方面，準晶因具有一般晶體不存在的五次旋轉對稱性(正五邊形或星形)的非週期結構，曾被認為無法形成長程磁性有序，僅能實現短程或自旋玻璃(*7)般的磁性有序。

然而，顛覆此常識的是，本研究團隊於2021年發現的Au-Ga-Gd系及Au-Ga-Tb系強磁性準晶(※1)。此發現證明了在準週期晶格上也能實現自發磁化與長程磁性有序，使準晶作為繼晶體與非晶質材料之後的「第三種磁性平台」備受矚目。但至今為止發現的強磁性準晶皆為僅能透過超急冷獲得的亞穩態相，進行退火處理時會轉變成穩定的週期晶體。因此，結構改善與精密測量困難，無法定量研究準晶特有的磁性臨界現象。

因此，本研究以實現無需超急冷即可獲得的強磁性二十面體準晶為目標，進行了機器學習的候選材料探索。這是確立強磁性準晶作為可高品質化新型磁性材料群的重要課題。

※1: 東京理科大學新聞稿(2021年11月19日)

『強磁性準晶的發現 ~為解明準週期性所展現的特異磁性邁出飛躍性的一步~』

【研究結果詳情】

合成從機器學習分類器獲得的前幾名候選物，三種五元系二十面體準晶(Gd系: Au54Cu7.5Al12In12Gd14.5、Dy系: Au57.5Cu5Al13In10Dy14.5、Tb系: Au57.5Cu5.5Al10.5In12Tb14.5)。這些的平均價電子數(e/a, *8)分別為1.77、1.74、1.75,均接近Tsai型強磁性準晶(e/a ≈ 1.7)的值。合成的準晶在723 K(K為凱氏溫標，攝氏0°C約為273.1 K)以上的高溫會發生近似晶體相變，但在723K以下的溫度，即使經過長時間熱處理仍能維持穩定性。此外，在723 K進行長時間熱處理後,X射線的繞射峰變得更尖銳，確認了熱處理能減少原子排列的紊亂，並在更廣泛的範圍內形成準晶的規則性。

此次合成的Gd系、Dy系、Tb系準晶，分別在居里溫度(*9)TC = 28.3 K、16.5 K、9.7 K時呈現明確的強磁性轉變。比熱測定中，在各相轉變溫度觀測到顯著的λ型轉變(*10),確認了長程強磁性有序的存在。進一步的磁化測定結果顯示,Gd系準晶在低磁場(約0.6 T)下磁化即可飽和，呈現各向同性的海森堡型(*11)行為。另一方面,Tb及Dy系準晶由於自旋方向具有強烈的方向依賴性(單離子異方性),即使施加高磁場(最大7 T)磁化也不飽和，呈現非海森堡型的行為。

這些性質差異被認為源於自旋對稱性的不同。對於沒有軌道角動量的Gd3+,各向同性的自旋漲落較大，其影響導致了偏離平均場理論預測的臨界行為。相對地,Tb3+及Dy3+因具有強烈的磁異方性抑制了自旋漲落，使得接近平均場理論的行為得以穩定化。這些結果表明，準晶中的磁性臨界行為是由準週期結構與自旋對稱性的結合所決定，並且準週期性是磁性臨界現象的關鍵因素。

本研究首次實現了無需超急冷即可獲得的強磁性準晶，並為在準週期結構中研究磁相變開啟了高品質樣本的研究道路。

本研究的主要負責人東京理科大學的田村教授評論道:「本成果使得強磁性準晶無需依賴超急冷即可製備，為利用高品質樣本研究準週期結構所帶來的磁性及量子現象開闢了道路。過去被認為是特殊亞穩態物質的強磁性準晶，如今已進入可作為新型磁性材料群進行本格研究的階段。」

本研究得到了日本學術振興會(JSPS)的科學研究補助金(JP19H05817, JP19H05818, JP19H05819, JP21H01044),以及科學技術振興機構(JST)的戰略性創造研究推進事業CREST(JPMJCR22O3)的資助。

【用語】

*1 超急冷法

透過極高速冷卻熔融合金的特殊製備方法。可形成一般熱處理無法獲得的亞穩態相，但對樣本尺寸和品質有一定限制。

*2 強磁性二十面體準晶

準晶中，具有二十面體對稱性(同時具備五次、三次、二次旋轉軸的非週期對稱性)的物質中實現了強磁性。強磁性是指相鄰原子磁矩自發地朝同一方向排列的強磁性有序，由於準晶缺乏長程週期性，因此被認為難以產生磁矩的規則排列。然而,2021年報告了Au-Ga-Gd系及Au-Ga-Tb系中存在強磁性準晶，作為非週期結構與長程磁性有序共存的現象，顛覆了傳統固體物理的常識而備受關注。

*3 磁性臨界現象

物質在居里溫度或尼爾溫度等特定溫度界線，從具有磁性有序狀態轉變為無磁性有序狀態時，磁化強度、比熱等物理量遵循冪次法則呈現特異行為的現象。

*4 準晶

雖然沒有一般晶體那樣的週期性原子排列，但與非晶質(amorphous)不同，具有長程有序和尖銳繞射圖案的固體結構。最大特徵是具有晶體中禁用的對稱性，如五次對稱。是一種介於晶體與非晶質之間的固體狀態，具有有序但無週期性。

*5 平均場理論

一種近似方法，將多體系統中各自旋的相互作用，以周圍自旋的平均效應(平均場)來取代，忽略個別的漲落。

*6 自旋對稱性

表示自旋是否傾向於朝特定方向的性質。

*7 自旋玻璃的

電子自旋以隨機方向固定下來的特殊磁性體。

*8 平均價電子數(e/a)

每原子價電子數。是決定物質晶體結構和磁性特徵的重要指標。

*9 居里溫度

強磁性材料失去磁性有序的溫度。

*10 λ型轉變

比熱曲線呈現類似希臘字母lambda(λ)的特殊形狀的連續相轉變。

*11 海森堡型

一種磁性模型，自旋不受特定方向束縛，可在三維空間自由改變方向。

【論文資訊】

期刊名稱:

Journal of the American Chemical Society

論文標題:

Bulk Ferromagnetic Icosahedral Quasicrystals without Rapid

Quenching

作者:

Ryuji Tamura, Farid Labib, Kazuki Inagaki, Ryo Takeuchi,

Takafumi Tsugawa, Takenori Fujii, Shintaro Suzuki, Asuka Ishikawa, Chang Liu, Minoru Kusaba, Ryo Yoshida

DOI:

10.1021/jacs.6c03748

【發表者】

田村 隆治

東京理科大學 先進工學部 材料創成工學科 教授 <責任作者>

Farid Labib

東京理科大學 研究推進機構 綜合研究院 助教

稻垣 和樹

東京理科大學大學院 先進工學研究科 材料創成工學專攻 2019 年度

碩士班畢業

竹內 涼

東京理科大學大學院 先進工學研究科 材料創成工學專攻 2022年度

碩士班畢業

津川 嵩史

東京理科大學大學院 先進工學研究科 材料創成工學專攻 2022年度

碩士班畢業

藤井 武則

東京大學 低溫中心 研究開發部門 助教

鈴木 慎太郎

青山學院大學 理工學部 物理科學科 助教

石川 明日香

東京大學大學院 工學系研究科 綜合研究機構 技術職員

Chang Liu

情報、系統研究機構 統計數理研究所 先端數據科學研究系

材料資訊學研究推進中心 特任副教授、

理化學研究所 最先端研究平台連携(TRIP)事業本部

科學研究基盤模型開發項目(AGIS)客座研究員

草場 穫

自然科學研究機構 核融合科學研究所 核融合科學跨學科連携中心 特任助教

吉田 亮

情報、系統研究機構 統計數理研究所 先端數據科學研究系

材料資訊學研究推進中心 教授 (中心長)

【研究相關諮詢】

東京理科大學 先進工學部 材料創成工學科 教授

田村 隆治(tamura ryuji)

E-mail: tamura【@】rs.tus.ac.jp

【JST事業相關】

科學技術振興機構 戦略研究推進部 綠色創新小組

金山 晉司(kanayama shinji)

TEL: 03-3512-3531 FAX: 03-3222-2066

E-mail: crest【@】jst.go.jp

【報導、公關相關諮詢】

東京理科大學 經營企劃部 公關課

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科學技術振興機構 公關課

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