Theoretical study on quantum spin liquids and their interfaces
Project/Area Number |
19K03729
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
Principal Investigator |
小野田 繁樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (70455335)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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Keywords | フラストレート磁性体 / 量子スピン液体 / 量子スピンアイス / 理論 / 界面 |
Outline of Research at the Start |
量子スピン液体とは、磁性絶縁体中の巨視的な数の局在電子スピンが、最低温においても磁気秩序を示さない一方、非自明なトポロジカル秩序を実現する量子相である。このトポロジカル秩序のために、スピン量子数を分数だけ変える励起(スピノン)が基本的な励起となり、スピノンと結合するゲージ場が非閉じ込め状態となる。この量子スピン液体の表面・界面では、トポロジーが変化するために、様々な新しい現象の存在が期待される。本研究課題では、この量子スピン液体の界面での新現象について、場の量子論的手法や数値シミュレーションからその学理を構築し、第一原理計算によって界面での新現象を実験的に検証するための具体的な物質を探索する。
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Outline of Annual Research Achievements |
量子スピン液体では、局在電子スピンが絶対零度でも磁気秩序が生じず、非自明な長距離トポロジカル秩序と新しいゲージ構造が発現する。本研究課題では、この量子スピン液体の表面・界面でのトポロジー変化から期待される新しい現象の理論的研究や、その舞台となる候補物質の理論探索を推進してきた。 これまでに、高温量子スピンアイス候補物質であるスピネル型イリジウム酸化物Ir2O4の関連バンド絶縁体物質に対する構造最適化計算を終えていた。前年度からはIr2O4とその関連物質を積層した超格子物質の構造最適化をOPENMXパッケージを使用した大規模第一原理計算による分子動力学シミュレーションによって推進してきた。今年度はその構造最適化計算を継続・進展させ、最終的に最適結晶構造をほぼ突き止めた。モット絶縁体であるIr2O4の格子定数とバンド絶縁体であるIr2O4関連物質の格子定数から単純に見積もられるよりも大きな格子定数をとることが分かった。 量子スピンアイス系を含め、あらゆる物質の界面では、構造的な歪みが生じる。量子スピンアイス系Tb2Ti2O7では、この歪みは局在磁気モーメントの電気四重極モーメントと結合し、その低エネルギー自由度に影響をもたらす。これまでに構築した量子スピンアイス系における歪みと電気四重極モーメントの相互作用の効果を取り込んだ乱雑位相近似理論の枠組みに基づいて、前年度にはTb2Ti2O7における超音波測定結果を定量的に説明する理論を構築した。今年度はその定量性を改善しつつ、論文を執筆した。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
Ir2O4関連超格子物質の大規模第一原理計算において、構造最適化に想定以上の計算量を消費したことにより、その研究の推進が遅延した。また、論文投稿が遅れた。
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Strategy for Future Research Activity |
再延長した来年度、Ir2O4関連超格子物質の構造最適化の精度を早期に向上させて完了させる。さらにオンサイトクーロン相互作用を考慮したLDA+U法により、様々な磁気構造の準安定解を探索して、磁気構造とエネルギーの比較から磁気相互作用を求める。この系の真の磁気状態は第一原理計算では記述できない量子スピン液体相の近傍に位置すると考えられる。第一原理的に求めた磁気相互作用から有効スピン模型を構築し、ゲージ場の量子論に基づいた解析を行う。また、超格子界面の電子状態について調べ、量子スピン液体の界面の実現性を吟味する。これらの結果について論文を執筆・投稿する。 量子スピンアイス系Tb2Ti2O7の局在磁気モーメントと電気四重極モーメント、および、歪みとの結合を考慮した乱雑位相近似理論による実験結果の定量的説明に関する論文執筆を完了させ投稿出版する。
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Report
(4 results)
Research Products
(12 results)