日本国立研究开发法人原子能研究开发机构原子能科学研究所强关联锕系元素科学研究团队的酒井宏典研究主干与德永阳团队负责人、该机构强关联材料物性研究团队的金子耕士团队负责人等人通过研究证实，在层状铀半导体“α-UTe₃（阿尔法・三碲化铀）”单晶中，铀原子的磁性除了沿相反方向交替排列之外，还存在随位置变化的周期性“强弱波”调制结构。该成果有望推动新型量子材料开发。相关成果已发表在美国物理学会发行的《Physical Review B》的8月7日刊上，并被选为重点论文。
图1: α-UTe₃的晶体结构（供图：日本原子能研究开发机构）
α-UTe₃具备由铀原子和碲原子组成的层叠结构。黄色所示部分对应层与层之间，层间以被称为范德华力的弱力结合在一起。因此，α-UTe₃像石墨一样容易剥离成薄层。
图2（左）本研究中所使用的α-UTe₃的高品质单晶与（右）表示铀原子磁性排列的磁结构模型（供图：日本原子能研究开发机构）
为了便于观察，右图省略了碲原子，用红色箭头表示铀原子的磁矩。箭头方向表示磁性方向，长度表示磁性大小。低温下，磁矩指向a轴方向，在b轴方向的铀原子链中交替反向排列。另一方面，其大小随a轴方向的位置周期性变强或变弱，形成磁性的“强弱波”
α-UTe₃是一种围绕U的Te与Te之间以范德华力（弱力）层叠形成层状结构的化合物（范德华物质），具有类似石墨（由石墨烯层层堆叠形成）的层状晶体结构。
铀化合物中，铀原子中的电子有时会产生普通元素中见不到的磁性和超导特性。尤其是含铀的范德华物质研究案例有限，物质中铀原子磁性如何显现、如何排列，此前几乎没有探明。对于α-UTe₃，同样细节不明，仅知道低温下会显现磁性。
一般而言，具有磁性的半导体中，各原子所具有的磁性大小几乎恒定，并有规律地排列。另一方面，在α-UTe₃晶体中，铀原子规则地配置在等腰三角形顶点，若不表现磁性，则需要使相邻铀原子的磁性反向排列，但该条件无法同时满足，因此此前认为产生了“磁挫折”。
因此，研究团队对α-UTe₃晶体的物性展开了精密测试。研究团队首先生长α-UTe₃单晶，成功获得了可进行各种解析尺寸的单晶。随后对电阻率、比热、磁化强度实施精密测量，结果确认α-UTe₃是导电性差的半导体，在约5K及以下低温呈现反铁磁性。
此外，研究团队还利用核磁共振（NMR）装置调查了单个原子的磁性（局域磁性），利用中子散射测量装置调查了晶体整体的磁结构。原子能科学研究所拥有可测量铀化合物的NMR装置，以及日本国内唯一可测量铀化合物磁结构的中子散射测量装置。
结果显示，α-UTe₃在半导体中极为罕见地显示出晶体内磁性大小波动的反铁磁性。发现其磁性大小在晶体中并非恒定，而是随晶体中的位置周期性反复变强变弱的调制结构。这种磁性调制结构出现在电子能够在晶体中自由运动的金属中，在半导体中未曾观测到。该现象被认为源自磁挫折以及铀（5f电子）带来的强磁各向异性。
已知石墨烯在成为单层石墨后，磁性和导电性等会发生很大变化，同样α-UTe₃也可能出现变化。
酒井研究主干表示：“我们计划今后利用同步辐射光源等手段，深化对包含α‑UTe₃在内的各类层状化合物的理解。此外，希望验证通过剥离该晶体的层使其薄膜化，或在层间插入其他元素，能否控制强弱波的周期以及反铁磁性出现的温度。希望通过推进基础研究，探索下一代磁性材料制备的设计准则。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review B
论文：Incommensurate antiferromagnetism with amplitude modulation in the semiconducting 5f van der Waals magnet α-UTe₃
DOI：doi.org/10.1103/jls4-6s89
