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Observation of elementary excitations in quantum spin ice

Research Project

Project/Area Number 15K13521
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Condensed matter physics II
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

Tokiwa Yoshifumi  京都大学, 理学研究科, 特定研究員 (30737458)

Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha) MATSUDA Yuji  京都大学, 理学研究科, 教授 (50199816)
NAKATSUJI Satoru  東京大学, 物性研究所, 教授 (70362431)
YASUI Yukio  明治大学, 理工学部, 準教授 (80345850)
UDAGAWA Masafumi  学習院大学, 理学部, 準教授 (80431790)
Research Collaborator YAMASHITA Takuya  
TERAZAWA Daiki  
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2016: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords素励起 / スピン液体 / スピンアイス / 熱伝導 / 幾何学的磁気フラストレーション / 磁気素励起 / フラストレーション / 磁気モノポール
Outline of Final Research Achievements

Quantum spin liquid is a novel ground state of matter where spins are quantum mechanically fluctuating down to absolute zero temperature. Its nature is manifested itself in exotic properties of elementary excitations, such as spin fractionalization and gauge fluctuations. One of the candidates for quantum spin liquid state is quantum spin ice system, where fluctuations are characterized by the exotic elementary excitations, charged monopoles and photon.
In this project, we have studied spin excitations of the quantum spin ice systems, Yb2Ti2O7 and Pr2Zr2O7, by measuring thermal conductivity. In the former, we found that magnetic monopoles propagate coherently in the crystal lattice due to the influence of quantum fluctuations. In the latter, we have observed anomalous enhancement of thermal conductivity at very low temperature. This may be the first observation of photon, which corresponds to gauge fluctuations in quantum spin liquid.

Report

(3 results)
  • 2016 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2015 Research-status Report
  • Research Products

    (46 results)

All 2017 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (36 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] Max Planck Institute CPFS/University of Augsburg/University of Goettingen(ドイツ)

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    • Author(s)
      T. Yamashita, Y. Tokiwa, D. Terazawa, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, T. Terashima, Y. Matsuda
    • Journal Title

      Journal of Physical Society of Japan

      Volume: 85 Issue: 7 Pages: 073707-073707

    • DOI

      10.7566/jpsj.85.073707

    • NAID

      210000133992

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    • Author(s)
      T. Ishii, R. Toda, Y. Hanaoka, Y. Tokiwa, M. Shimozawa, Y. Kasahara, R. Endo, T. Terashima, A. H. Nevidomskyy, T. Shibauchi, Y. Matsuda
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 116 Issue: 20 Pages: 206401-206401

    • DOI

      10.1103/physrevlett.116.206401

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    • Author(s)
      Y. Tokiwa, M. Mchalwat, R. S. Perry, and P. Gegenwart
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 116 Issue: 22 Pages: 226402-226402

    • DOI

      10.1103/physrevlett.116.226402

    • NAID

      130006244607

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      Y. Tokiwa, B. Piening, H. S. Jeevan, S. L. Bud’ko, P. C. Canfield P. Gegenwart
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 2 Issue: 9

    • DOI

      10.1126/sciadv.1600835

    • NAID

      130006710282

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    • Author(s)
      Y. Tokiwa,T. Yamashita, M. Udagawa, S. Kittaka, T. Sakakibara, D. Terazawa, Y. Shimoyama, T. Terashima, Y. Yasui, T. Shibauchi, Y. Matsuda
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 10807-10807

    • DOI

      10.1038/ncomms10807

    • NAID

      120005743654

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    • Author(s)
      Y. Tokiwa, C. Stingl, M. S. Kim, T. Takabatake, P. Gegenwart
    • Journal Title

      Sci. Adv.

      Volume: 1 Issue: 3

    • DOI

      10.1126/sciadv.1500001

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    • Author(s)
      常盤欣文
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      常盤欣文, B. Piening, H.S. Jeevan, S.L. Bud'ko, P.C. Canfield, P. Gegenwart
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      日本物理学会年次大会
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    • Author(s)
      成塚政裕, Priscila F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronning, Joe D. Thompson, 石井智大, 三宅聡平, 下澤雅明, 芝内孝禎, 常盤欣文, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
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      日本物理学会年次大会
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      大阪大学
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    • Author(s)
      仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 宍戸寛明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 水上雄太, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
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      日本物理学会年次大会
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      大阪大学
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  • [Presentation] 鉄系超伝導体Fe(Se,S)単結晶の比熱測定2017

    • Author(s)
      谷口智哉, 綿重達哉, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 松田祐司
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      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学
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  • [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCu2Si2の低温高磁場領域におけるNMR2017

    • Author(s)
      北川俊作, 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel, F. Steglich
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      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学
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  • [Presentation] Maximizing superconducting coupling strength in heavy-fermion hybrid superlattices of CeCoIn5/CeRhIn52017

    • Author(s)
      Masahiro Naritsuka, Tomohiro Ishii, Souhei Miyake, Yuichi Kasahara, Takahito Terashima, Yuji Matsuda, Yoshifumi Tokiwa, Masaaki Shimozawa, Takasada Shibauchi, P. F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronnin, Joe D. Thompson
    • Organizer
      アメリカ物理学会(国際学会)
    • Place of Presentation
      アメリカ、ニューオーリンズ
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  • [Presentation] Emergent superconductivity in tricolor Kondo superlattices2017

    • Author(s)
      Yuichi Kasahara, Y. Naritsuka, T. Ishii, S. Miyake, T. Terashima, Y. Matsuda, Y. Tokiwa, M. Shimozaw, T. Shibauchi
    • Organizer
      アメリカ物理学会(国際学会)
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      アメリカ、ニューオーリンズ
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of controlled point like disorder on low-energy quasiparticle excitations in CeCu2Si22017

    • Author(s)
      Takaaki Takenaka, Yuta Mizukami, Marcin Konczykowski, Silvia Seiro, Hirale S Jeevan, Christoph Geibel, Joe A Wilcox, Carsten Putzke, Antony Carrington, Yoshifumi Tokiwa, Yuji Matsuda, Takasada Shibauchi
    • Organizer
      アメリカ物理学会(国際学会)
    • Place of Presentation
      アメリカ、ニューオーリンズ
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermal conductivity of exotic elementary excitations in quantum spin ice2017

    • Author(s)
      Yoshifumi Tokiwa
    • Organizer
      Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems
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      東京大学
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  • [Presentation] ハイブリッド超格子CeRhIn5/CeCoIn5における量子臨界性2016

    • Author(s)
      石井智大, 戸田琳太郎, 鳥井陽平, 成塚政裕, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
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      東北学院大学
    • Year and Date
      2016-03-22
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  • [Presentation] 極低温熱伝導率測定からみた重い電子系超伝導体CeCu2Si2の超伝導ギャップ構造2016

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      大西隆史, 寺澤大樹, 山下卓也, 笠原裕一, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H. S.Jeevan, C. Geibel, M. Konczykowski, 芳賀芳範, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学
    • Year and Date
      2016-03-22
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  • [Presentation] 極低温磁場侵入長測定と不純物効果から見た重い電子系超伝導体CeCu2Si2のギャップ構造2016

    • Author(s)
      竹中崇了, 水上雄太, 新井佑基, J. Wilcox, C. Putzke, A. Carrington, S. Seiro, H. S. Jeevan, C. Geibel, M. Konczykowski, 常盤欣文, 松田祐司, 芝内孝禎
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学
    • Year and Date
      2016-03-22
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  • [Presentation] ハイブリット超格子CeRhIn5/CeCoIn5の超伝導特性2016

    • Author(s)
      鳥井陽平, 石井智大, 戸田琳太郎, 成塚政裕, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学
    • Year and Date
      2016-03-22
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  • [Presentation] 熱伝導率測定による量子スピン液体Pr2Zr2O7中のフォトン励起の観測2016

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      寺澤大樹, 大西隆史, 山下卓也, 常盤欣文, 宇田川将文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 芝内孝禎, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学
    • Year and Date
      2016-03-21
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  • [Presentation] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NQR2016

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      樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学
    • Year and Date
      2016-03-20
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  • [Presentation] Possible observation of photon excitations in the quantum spin-ice Pr2Zr2O72016

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      Y. Tokiwa, T. Yamashita, D. Terazawa, T. Terashima, K. Kimura, M. Halim, S. Nakatsuji, Y. Matsuda
    • Organizer
      アメリカ物理学会
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      アメリカ ボルチモア
    • Year and Date
      2016-03-15
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  • [Presentation] Hybrid heavy-fermion superlattices of CeCoIn5/CeRhIn52016

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      M. Naritsuka, T. Ishii, R. Toda, S. Kasahara, Y. Kasahara, Y. Tokiwa, T. Terashima, Y. Matsuda
    • Organizer
      アメリカ物理学会
    • Place of Presentation
      アメリカ ボルチモア
    • Year and Date
      2016-03-15
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      Y. Kasahara, D. Terazawa, T. Yamashita, T. Onishi, Y. Tokiwa, T. Terashima, Y. Matsuda, T. Takenaka, Y. Mizukami, T. Shibauchi, J. Wilcox, C. Putzke, A. Carrington, S. Kittaka, T. Sakakibara, H. S. Jeevan, S. Seiro, C. Geibel, Y. Haga
    • Organizer
      アメリカ物理学会
    • Place of Presentation
      アメリカ ボルチモア
    • Year and Date
      2016-03-15
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      常盤欣文, M. Machalwat, R.S. Perry, P. Gegenwart
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      寺澤大樹, 大西隆史, 山下卓也, 常盤欣文, 宇田川将文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 芝内孝禎, 松田祐司
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      日本物理学会秋季大会
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      金沢大学
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      綿重達哉, Stevan Arsenijevic, 笠原成, 山下卓也, 寺澤大樹, 大西隆史, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, Joachim Wosnitza, 松田祐司
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      日本物理学会秋季大会
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      金沢大学
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    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
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      金沢大学
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      成塚政裕, 石井智大, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
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      日本物理学会秋季大会
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      金沢大学
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      日本物理学会秋季大会
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      日本物理学会秋季大会
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      日本物理学会秋季大会
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      金沢大学
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      山下卓也, 寺澤大樹, 常盤欣文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 松田祐司
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      関西大学
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      成塚政裕, 遠藤僚太, 戸田琳太郎, 石井智大, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
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      関西大学
    • Year and Date
      2015-09-17
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    • Author(s)
      石井智大, 遠藤僚太, 戸田琳太郎, 成塚政裕, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
    • Place of Presentation
      関西大学
    • Year and Date
      2015-09-17
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  • [Presentation] 熱伝導率測定による重い電子系超伝導体CeCu2Si2のギャップ構造の解明2015

    • Author(s)
      寺澤大樹, 山下卓也, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H.S.JEEVANC, C.GEIBELC, 芳賀芳範, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
    • Place of Presentation
      関西大学
    • Year and Date
      2015-09-17
    • Related Report
      2015 Research-status Report
  • [Presentation] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NQR2015

    • Author(s)
      樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
    • Place of Presentation
      関西大学
    • Year and Date
      2015-09-17
    • Related Report
      2015 Research-status Report
  • [Presentation] 熱伝導率測定からみたNdO0.71F0.29BiS2の超伝導ギャップ構造2015

    • Author(s)
      山下卓也, 寺澤大樹, 常盤欣文, 長尾雅則, 綿打敏司, 田中功, 寺嶋孝仁, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
    • Place of Presentation
      関西大学
    • Year and Date
      2015-09-16
    • Related Report
      2015 Research-status Report

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Published: 2015-04-16   Modified: 2022-02-16  

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