Spin Seebeck effect of quantum spin liquid states

• Project/Area Number: 18K18730
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Osaka University (2019); The University of Tokyo (2018)
• Principal Investigator: Shimozawa Masaaki 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40736162)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2018: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 量子スピン液体 / 量子常誘電 / 量子常磁性状態 / 量子常誘電状態

Outline of Final Research Achievements

To investigate the quantum spin liquid (QSL) states of κ-H3(Cat-EDT-TTF)2, we studied their effect of element substitution and spin Seebeck effect. We first performed the thermal conductivity and magnetic torque measurements for three types of κ-H3(Cat-X)2: X = EDT-d4-TTF, EDSe-TTF, EDT-ST. As a result, we have found that the gapless QSLs of κ-H3(Cat-EDT-TTF)2 are robust against the full substitution of X site that significantly affects both spin-1/2 triangular structures and hydrogen bonds. Considering the results of our dielectric permittivity measurements, we can conclude that in κ-H3(Cat-EDT-TTF)2, quantum proton fluctuations are an important factor for stabilizing the QSLs. Next, we tried to observe the spin Seebeck effect of κ-H3(Cat-EDT-TTF)2; however, we failed because the evaporation of platinum and tangsten with strong spin-orbit coupling on the clean surface of κ-H3(Cat-EDT-TTF)2 is difficult (this is future work).

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子スピン液体と量子常誘電状態が同時に実現しているκ-H3(Cat-EDT-TTF)2系の研究を行なった。この試料では、「スピン自由度」と「プロトン自由度」が同時に揺らぎ続けている量子スピン液体であり、従来のものとは一線を画する。本研究において元素置換効果を調べたところ、このような多自由度量子スピン液体は、通常のものに比べて外的要因に対して安定度が増すことが分かった。この結果は、長年問題であった量子スピン液体の安定化メカニズムを理解する上で、大きな手がかりになると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Thermal-transport studies of kagome antiferromagnets (2020)
  • Author(s): M. Yamashita, M. Akazawa, M. Shimozawa, T. Shibauchi, Y. Matsuda, H. Ishikawa, T. Yajima, Z. Hiroi, M. Oda, H. Yoshida, H.-Y. Lee, J. H. Han and N. Kawashima
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 32 Issue: 7 Pages: 074001-074001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab50e9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin Thermal Hall Conductivity of a Kagome Antiferromagnet (2018)
  • Author(s): Doki Hayato、Akazawa Masatoshi、Lee Hyun-Yong、Han Jung Hoon、Sugii Kaori、Shimozawa Masaaki、Kawashima Naoki、Oda Migaku、Yoshida Hiroyuki、Yamashita Minoru
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 121 Issue: 9 Pages: 097203-097203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.097203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusual thermal Hall effect in a Kitaev spin liquid candidate α-RuCl3 (2018)
  • Author(s): Y. Kasahara, K. Sugii, T. Ohnishi, M. Shimozawa, M. Yamashita, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 120 Issue: 21 Pages: 217205-217205
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.217205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous suppression in the de Haas-van Alphen oscillations of CeCoIn5 at ultra-low temperatures (2018)
  • Author(s): H. Shishido, S. Yamada, K. Sugii, M. Shimozawa, Y. Yanase, and M. Yamashita
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 120 Issue: 17 Pages: 177201-177201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.177201
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 熱伝導率の磁場方向依存性からみたUTe2の超伝導状態 (2020)
  • Author(s): 中川翔太, 細井優, 今西優人, 多田勝哉, 下澤雅明, 井澤公一, 仲村愛, 本間佳哉, 本多史憲, 青木大
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [Presentation] PrTr2Cd20(Tr=Pt, Rh)の電気輸送特性と温度磁場相図 (2020)
  • Author(s): 足立涼, 佐賀範彰, 細井優, 下澤雅明, 井澤公一, 町田洋, 広瀬雄介, 土塔寛, 河野琢馬, 摂待力生
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [Presentation] BiCh2系超伝導体LaO0.5F0.5BiSSeにおける弾性抵抗測定 (2020)
  • Author(s): 小江悠達, 細井優, 野村尚也, 下澤雅明, 井澤公一, 星和久, 後藤陽介, 水口佳一
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [Presentation] キラル反強磁性体CsCuCl3のc軸熱輸送測定II (2019)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 下澤雅明, 山下穣, 高阪勇輔, 秋光純, 土屋直人, 井上克也, J. Zaccaro, I. Gautier-Luneau, D. Luneau
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] バルク層状磁性体に生じる非従来型異方的超伝導 (2019)
  • Author(s): 櫻木俊輔, 佐々木秀, 明石遼介, 坂上良介, 黒田健太, C. Bareille, 橋本嵩広, 長島椿, 木下雄斗, 平田靖透, 下澤雅明, 浅井晋一郎, 土居抄太郎, 辻本直人, 國定聡, 野口亮, 黒川輝風, 東伸彦, 平田昂輝, T. K. Kim, C. Cacho, 益田隆嗣, 徳永将史, 和達大樹, 岡﨑浩三, 辛埴, 神原陽一, 山下穣, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 IV (2019)
  • Author(s): 斉木克祥, 山下穣, 下澤雅明, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] Uniaxial strain effect on the BiCh2-based superconductor LaO0.5F0.5BiSSe (2019)
  • Author(s): Y. Oe, S. Hosoi, N. Nomura, M. Shimozawa, K. Izawa, K. Hoshi, Y. Goto, Y. Mizuguchi
  • Organizer: J-Physics Annual Meeting FY2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of angle dependence of thermal conductivity in the heavy fermion superconductor UTe2 (2019)
  • Author(s): S. Nakagawa, S. Hosoi, Y. Imanishi, K. Ota, M. Shimozawa, K. Izawa, A. Nakamura, Y. Homma, F. Honda, D. Aoki
  • Organizer: J-Physics Annual Meeting FY2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic-field-temperature phase diagram of PrPt2Cd20 by magnetoresistance and Hall resistivity (2019)
  • Author(s): R. Adachi, N. Saga, S. Hosoi, M. Shimozawa, K. Izawa, Y. Machida, Y. Hirose, H. Doto, R. Settai
  • Organizer: J-Physics Annual Meeting FY2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱伝導率測定から見たUTe2の超伝導状態 (2019)
  • Author(s): 細井優, 中川翔太, 今西優人, 多田勝哉, 下澤雅明, 井澤公一, 仲村愛, 本間佳哉, 本多史憲, 青木大
  • Organizer: 第19回琉球物性研究会
• [Presentation] A non-linear Hall effect in a chiral nonmagnetic compound at zero field (2019)
  • Author(s): K. Matsuura, M. Akazawa, M. Shimozawa, S. Fujii, M. Qiu, T. Ueno, T. Takahashi, Y. Mizukami, K. Hashimoto, T. Shibauchi, J. Gouchi, M. Yamashita, Y. Uwatoko, K. Kobayashi
  • Organizer: TopoMat2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キラル反強磁性体CsCuCl3のc軸熱輸送特性 (2019)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 土岐勇人, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 高阪勇輔, 秋光純, 井上克也, J. Zaccaro, I. Gautier-Luneau, D. Luneau
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] ダイマーモット絶縁体κ-(BEDT-TTF)2Hg(SCN)2X, (X = Br, Cl)における磁化率・磁気トルク測定 (2019)
  • Author(s): 山下穣, 杉井かおり, 下澤雅明, 上田顕, 森初果, Natalia Drichko, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也, Elena I. Zhilyaeva, Svetlana A. Torunova, Rimma N. Lyubovskaya
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] 水素結合型モット絶縁体Cat-EDT系における量子常誘電・常磁性状態 (2019)
  • Author(s): 藤井桜子, 下澤雅明, 近藤潤, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也, 橋本顕一郎, 井口敏, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] α-RuCl3における熱ホール効果の磁場角度依存性 (2019)
  • Author(s): 馬斯嘯, 笠原裕一, 大西隆史, 水上雄太, 田中桜平, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] Thermal transport properties of S = 1/2 Cd-kapellasite (2019)
  • Author(s): Masatoshi Akazawa, Hayato Doki, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Minoru Yamashita, Hyun-Yong Lee, Naoki Kawashima, Ryutaro Okuma, Zenji Hiroi, Jung Hoon Han
  • Organizer: APS March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カゴメ反強磁性体Cd-Kapellasiteの熱輸送特性 (2018)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 土岐勇人, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, Hyun-Yong Lee, 川島直輝, 大熊隆太郎, 広井善二, Jung Hoon Han
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 III (2018)
  • Author(s): 山下穣, 田代光輝, 下澤雅明, 杉井かおり, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] α-RuCl3におけるマヨラナ量子化条件の検証 (2018)
  • Author(s): 馬斯嘯, 笠原裕一, 大西隆史, 水上雄太, 田中桜平, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] Quantum Disordered State of Magnetic and Electric Dipoles in Hydrogen-Bonded Organic Mott Insulator κ-H3(Cat-EDT-TTF)2 (2018)
  • Author(s): M. Shimozawa, K. Hashimoto, A. Ueda, Y. Suzuki, K. Sugii, S. Yamada, Y. Imai, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, H. Mori, T. Sasaki, and M. Yamashita
  • Organizer: ICSM2018
  • Int'l Joint Research