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Quantum spin liquid on frustrated magnets

Research Project

Project/Area Number 19J21017
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

村山 陽奈子  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2021: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords量子スピン液体 / フラストレーション / カゴメ格子 / ループ電流秩序 / イリジウム酸化物 / 熱伝導 / 比熱 / ランダムネス
Outline of Research at the Start

量子スピン液体は量子力学的に強くエンタングルメントした状態であり、トポロジカル秩序で特徴づけられる新奇量子相が存在すると考えられ、それに伴う対称性の破れやエキゾチックな創発準粒子の出現が理論的に指摘されているが、実験的には全く未解明である。本研究では、高感度の比熱および熱伝導率測定による量子スピン液体の不純物効果の観測と、独自の超高感度磁気トルク測定による回転対称性の破れの検証にを行う。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、カゴメ格子上の量子スピン液体候補物質ZnCu3(OH)6Cl2について、比熱と熱伝導測定の結果を論文にまとめた。論文は現在投稿中である(arXiv:2106.07223)。

カゴメ格子上の量子スピン液体は長らく理論的に研究されてきたものの、厳密解がないことから基底状態が量子スピン液体であること以外、そのトポロジカル構造や励起状態についての議論に決着がついていない。特に素励起におけるギャップの有無さえわかっていないため、実験的に低エネルギー励起を観測してこれを明らかにする必要がある。
ZnCu3(OH)6Cl2はカゴメ格子上のスピン1/2ハイゼンベルクモデルを実現する磁性体で、数少ないカゴメ格子上の量子スピン液体候補物質の一つである。しかし量子スピン液体を特徴づける低エネルギー励起には、Zn/Cuアンチサイト欠陥に起因した励起や散乱が現れてしまい、この系の量子スピン液体の低エネルギー励起はよくわかっていない。
そこで、この物質について希釈冷凍機を用いて極低温下での比熱と熱伝導測定を行った。14Tまで磁場依存性のない熱伝導率が観測された一方で、比熱測定では強く磁場依存する磁気比熱が観測された。熱伝導には遍歴的な励起のみが寄与する一方で、比熱には遍歴的な励起だけでなく局在的な励起も寄与することから、この系では強く磁場依存する局在的な磁気励起があることがわかった。この磁気比熱は特徴的なスケーリング則を示し、弱いランダムネスがある量子スピン液体の理論で提案されている関数形でよくフィットできた。この理論では、ランダムネスがある場合に量子スピン液体の欠陥として孤立した局在スピンが生じ、その孤立スピン同士が弱く相関してランダムシングレットを形成し、局在的な磁気励起を生じることが予想されている。今回観測された磁気比熱のスケーリングは、この描像を強く支持する結果である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Colorado, Bouldar(米国)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] University of Colorado(米国)

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      2019 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Institut Polytechnique de Paris(フランス)

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] KAIST(韓国)

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Bond Directional Anapole Order in a Spin-Orbit Coupled Mott Insulator Sr2(Ir1-xRhx)O42021

    • Author(s)
      H. Murayama, K. Ishida, R. Kurihara, T. Ono, Y. Sato, Y. Kasahara, H. Watanabe, Y. Yanase, G. Cao, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and S. Kasahara
    • Journal Title

      Phys. Rev. X

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 011021-011021

    • DOI

      10.1103/physrevx.11.011021

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of quenched disorder on the quantum spin liquid state of the triangular-lattice antiferromagnet 1T?TaS22020

    • Author(s)
      Murayama H.、Sato Y.、Taniguchi T.、Kurihara R.、Xing X. Z.、Huang W.、Kasahara S.、Kasahara Y.、Kimchi I.、Yoshida M.、Iwasa Y.、Mizukami Y.、Shibauchi T.、Konczykowski M.、Matsuda Y.
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 2 Issue: 1 Pages: 013099-013099

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.013099

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Diagonal nematicity in the pseudogap phase of HgBa2CuO4+δ2019

    • Author(s)
      Murayama H.、Sato Y.、Kurihara R.、Kasahara S.、Mizukami Y.、Kasahara Y.、Uchiyama H.、Yamamoto A.、Moon E.-G.、Cai J.、Freyermuth J.、Greven M.、Shibauchi T.、Matsuda Y.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 3282-3282

    • DOI

      10.1038/s41467-019-11200-1

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Universal scaling of the specific heat in S=1/2 quantum kagome antiferromagnet herbertsmithite2022

    • Author(s)
      H. Murayama, T. Tominaga, T. Asaba, A. de Oliveira Silva, Y. Sato, H. Suzuki, Y. Ukai, S. Suetsugu, Y. Kasahara, R. Okuma, I. Kimchi, Y. Matsuda
    • Organizer
      APS March meeting
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] カゴメ反強磁性体Herbertsmithiteにおける比熱のスケーリング則2021

    • Author(s)
      村山陽奈子, 冨永貴弘, Andre de Oliveira Silva, 佐藤雄貴, 鈴木裕貴, 鵜飼柚希, 末次祥大, 笠原成, 笠原裕一, 大熊隆太郎, 廣井善二, Itamar Kimchi, 松田祐司
    • Organizer
      日本物理学会 2021年年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Bond directional anapole state in a spin-orbit coupled Mott insulator Sr2(Ir1-xRhx)O42021

    • Author(s)
      H. Murayama, K. Ishida, R. Kurihara, T. Ono, Y. Sato, Y. Kasahara, H. Watanabe, Y. Yanase, G. Cao, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda and S. Kasahara
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of randomness in the quantum spin liquid state of 1T-TaS22020

    • Author(s)
      H. Murayama, Y. Sato, T. Taniguchi, R. Kurihara, X. Z. Xing, W. Huang, S. Kasahara, Y. Kasahara, I. Kimchi, M. Yoshida, Y. Iwasa, Y. Mizukami, T. Shibauchi, M. Konczykowski, and Y. Matsuda
    • Organizer
      Emergent Phenomena in Correlated Quantum Matter Summer School
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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