Observation of elementary excitations in quantum spin ice

• Project/Area Number: 15K13521
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: Kyoto 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: ¥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.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute CPFS/University of Augsburg/University of Goettingen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Los Alamos Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Bristol/University College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
• [Journal Article] Conventional s-Wave Superconductivity in BiS2-Based NdO0.71F0.29BiS2 Revealed by Thermal Transport Measurements (2016)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Tuning the Magnetic Quantum Criticality of Artificial Kondo Superlattices CeRhIn5=YbRhIn5 (2016)
  • 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
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Multiple Metamagnetic Quantum Criticality in Sr3Ru2O7 (2016)
  • 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
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Super-heavy electron material as metallic refrigerant for adiabatic demagnetization cooling (2016)
  • Author(s): 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
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Possible observation of highly itinerant quantum magnetic monopoles in the frustrated pyrochlore Yb2Ti2O7 (2016)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characteristic signatures of quantum criticality driven by geometrical frustration (2015)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 重い電子系CeCu2Si2におけるs波超伝導 (2017)
  • Author(s): 常盤欣文
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Invited
• [Presentation] 超重い電子金属を用いた断熱消磁冷却 (2017)
  • Author(s): 常盤欣文, B. Piening, H.S. Jeevan, S.L. Bud'ko, P.C. Canfield, P. Gegenwart
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における熱Hall効果測定 (2017)
  • Author(s): 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 山下穣, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] CeCoIn5/CeRhIn5ハイブリッド超格子の圧力下における超強結合状態 (2017)
  • 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
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] 59Co-NMRによる人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5とCeCoIn5/YbCoIn5の比較 (2017)
  • 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
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [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
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCu2Si2の低温高磁場領域におけるNMR (2017)
  • 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
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] Maximizing superconducting coupling strength in heavy-fermion hybrid superlattices of CeCoIn5/CeRhIn5 (2017)
  • 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
• [Presentation] Emergent superconductivity in tricolor Kondo superlattices (2017)
  • 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）
  • Place of Presentation: アメリカ、ニューオーリンズ
• [Presentation] Effect of controlled point like disorder on low-energy quasiparticle excitations in CeCu2Si2 (2017)
  • 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
• [Presentation] Thermal conductivity of exotic elementary excitations in quantum spin ice (2017)
  • Author(s): Yoshifumi Tokiwa
  • Organizer: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-22
• [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)
  • Author(s): 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
• [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
• [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
• [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)
  • Author(s): 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
• [Presentation] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NQR (2016)
  • 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: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-20
• [Presentation] Possible observation of photon excitations in the quantum spin-ice Pr2Zr2O7 (2016)
  • Author(s): 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
  • Place of Presentation: アメリカ ボルチモア
  • Year and Date: 2016-03-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hybrid heavy-fermion superlattices of CeCoIn5/CeRhIn5 (2016)
  • Author(s): 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
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evidence for fully-gapped superconductivity in heavy-fermion CeCu2Si2 (2016)
  • Author(s): 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
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sr3Ru2O7における多重量子臨界現象 (2016)
  • Author(s): 常盤欣文, M. Machalwat, R.S. Perry, P. Gegenwart
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] 熱伝導率測定から見た量子スピン液体Pr2Zr2O7中のフォトン励起の研究 (2016)
  • Author(s): 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: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe単結晶の強磁場下での熱ホール効果 (2016)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] CeCoIn5トリコロール超格子によるPauli対破壊効果の人工制御 (2016)
  • Author(s): 三宅聡平, 石井智大, 成塚政裕, 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, 石田憲二, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] CeRhIn5/CeCoIn5ハイブリッド超格子における圧力下強結合超伝導状態の実現 (2016)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NMR (2016)
  • 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: 金沢大学
• [Presentation] 熱伝導率測定および対破壊効果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)
  • Author(s): 大西隆史, 寺澤大樹, 山下卓也, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H.S.Jeevan, C.Geibel, M. Konczykowski, 芳賀芳範, 水上雄太, 芝内孝禎E, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] 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): 弘中恭平, 竹中崇了, 水上雄太, 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: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
• [Presentation] 重い電子系超伝導化合物CeCoIn5と反強磁性化合物CeRhIn5の人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5のNMR (2016)
  • 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, 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: 金沢大学
• [Presentation] 熱伝導測定による量子スピンアイスの新奇素励起の観測 (2016)
  • Author(s): 常盤欣文
  • Organizer: 研究会「スピン液体研究の新展開」
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Invited
• [Presentation] 極低温熱伝導率測定による量子スピン液体Pr2Zr2O7の素励起の研究 (2015)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] CeCoIn5系トリコロール超格子によるグローバルな空間反転対称性の破れの導入 (2015)
  • Author(s): 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
  • Place of Presentation: 関西大学
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 重い電子系ハイブリット超格子CeRhIn5/CeCoIn5における輸送測定 (2015)
  • 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
• [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
• [Presentation] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NQR (2015)
  • 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
• [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