フラストレート格子上ボース粒子系における量子液体相の探索と励起構造の数値解析

• Project/Area Number: 17K14361
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 正木 晶子 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 研究員 (00620717)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2018: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2017: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 量子モンテカルロ法 / 量子スピン系 / ボース粒子系 / 計算物理学 / 冷却原子 / 統計物理 / 計算物理 / 物性理論 / 統計力学 / 物性基礎論 / 量子エレクトロニクス

Outline of Annual Research Achievements

量子モンテカルロ法のソフトウェアを開発し、（１）擬１次元格子中におけるボース粒子系の超流動相転移現象や（２）希薄ボース粒子系におけるエネルギーなどの物理量の普遍的な振る舞いを調べた。さらに、（３）ハードコアボース粒子系と等価である量子ハイゼンベルグ模型における量子液体的な励起状態について、数値解析接続法を組み合わせ、大規模精密計算により、新しい解釈を裏付ける解析結果を得ることができた。具体的には以下である。
（１）擬１次元的形状のナノ多孔体中の液体ヘリウムでは非自明な超流動応答が観測されている。我々は位相スリップを防いだ周期境界条件のもと超流動密度を測定すると、液体ヘリウムが多孔体内表面に吸着して２次元的の場合はコスタリッツ・サウレス転移、多孔体内に充満し３次元的の場合は２次転移を起こすことを示した。
（２）希薄ボース粒子系において、平均場近似や摂動展開を用いて理論的に示された式を定量的に評価し、ハードコアボース粒子系が固有に持つs波散乱長の大きさを見積もった。さらに摂動係数の値を数値的に求め、希薄極限位おいて物理量が模型によらず普遍的な振る舞いを示すことを裏付ける結果をえた。この結果は連続系の量子モンテカルロ法と比較することで、グラファイト状に吸着したヘリウムの量子固体相の計算への応用を期待できる。
（３）確率的最適化法による数値的解析接続手法を大規模精密計算によって得た量子モンテカルロ法の結果に適用し、２次元量子スピン模型の励起ダイナミクスの計算を行った。有機銅酸化物で観測された非自明な量子現象を定量的に再現し、基底状態で長距離秩序が存在する状況下でも、特定の波数ではスピン液体的な素励起が存在しうる計算結果を示した。

Research Products

• [Presentation] The superfluid transition in quasi one-dimensional hardcore Bosons: Effect of phase slippage (2018)
  • Author(s): Akiko Masaki-Kato
  • Organizer: International Symposium on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ボース・ハバード模型を用いた 連続空間希薄粒子系の数値解析とs波散乱長の見積もり (2018)
  • Author(s): 正木晶子
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Numerical Study of Excitation Dynamics of S=1/2 Square Lattice Antiferromagnetic Heisenberg Models (2017)
  • Author(s): 正木晶子
  • Organizer: ポスト「京」重点課題 (7)サブ課題G 第5回「共通基盤シミュレーション手法」連続研究会「低次元量子相のスペクトロスコピー ～計算と実験の協奏～」
  • Invited
• [Presentation] フラストレーションのないS=1/2ハイゼンベルグ模型の励起ダイナミクス －マグノン励起の消失－ (2017)
  • Author(s): 正木晶子
  • Organizer: ポスト「京」プロジェクト課題７「共通基盤シミュレーション手法」研究会
  • Invited
• [Presentation] The absence of single magnon excitation and fractional incoherent dynamics n a two-dimensional unfrustrated spin-1/2 antiferromagnet (2017)
  • Author(s): Akiko Masaki-Kato
  • Organizer: 第25回量子シミュレーション研究会, ImPACT「量子人工脳を量子ネットワークでつなぐ高度知識社会基盤の実現」
  • Invited
• [Presentation] Worldline Monte-Carlo methods of huge systems (2017)
  • Author(s): Akiko Masaki-Kato
  • Organizer: The 36th JSST Annual International Conference on Simulation Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 並列化量子モンテカルロ法によるrelevant fieldを含む有限サイズスケーリング (2017)
  • Author(s): 正木晶子、原田健自、川島直輝
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
• [Presentation] フラストレーションの無いS=1/2正方格子ハイゼンへルグモデルの励起ダイナミクス (2017)
  • Author(s): 正木晶子、A. S. Mischenko、白川知功、永長直人、柚木清司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] ボース・ハバード模型を用いた連続空間希薄粒子系の数値解析とs波散乱長の見積もり (2017)
  • Author(s): 正木晶子、本山裕一、川島直輝
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
• [Presentation] Effective Hubbard model for Helium atoms adsorbed on a graphite (2017)
  • Author(s): Y. Motoyama, A. Masaki-Kato and N. Kawashima
  • Organizer: APS March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] DSQSS
  • URL: https://github.com/qmc/dsqss/wiki
• [Remarks] DSQSS
  • URL: https://github.com/qmc/dsqss