Evaluation of anisotropic exchange interaction in one-dimensional quantum spin system by high-frequency ESR measurements

• Project/Area Number: 21K03465
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 藤井 裕 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (40334809)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古谷 峻介 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 研究員 (90781998)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 電子スピン共鳴 / 一次元量子スピン系 / 異方的交換相互作用 / ミリ波

Outline of Research at the Start

電子スピン同士の相互作用における異方性は、その物質の磁性を決める上で重要なパラメータである。また、スピン同士がある特定の方向に相互作用して鎖状につながったようなモデル(量子スピン鎖)は、超低温域で量子臨界的振る舞いが現れる。本研究は、超低温域での高周波電子スピン共鳴測定から、相互作用パラメータの異方性を評価することができるという新しい手法を提示する。このような評価には大型結晶を要する測定が従来行われてきたが、本研究成果を用いれば小さな結晶があれば異方性が見積られ、低次元量子スピン系のより詳細な議論が可能になる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、S=1/2一次元反強磁性体(量子スピン鎖)において、その量子臨界的振る舞いが現れる超低温域までの高周波電子スピン共鳴(ESR)測定から、鎖内および鎖間の異方的交換相互作用パラメータを評価することができるという新しい手法を提示することである。本研究では異方性主軸と外部磁場のなす角度を制御する必要があるので、小さな結晶で角度を精密に制御した高周波ESR測定を可能にすることを目指している。並行して、共鳴線のシフトや強度、線幅の温度変化について理論解析をすすめている。
当該年度は、希釈冷凍機の冷媒（3He-4He混合ガス）の漏れが発生したために、その対応を行うことを優先して超低温での測定がストップした。そこで、希釈冷凍機ミリ波ESR装置を高感度化するために海外の共同研究者とともに、ヘテロダイン検波方式のミリ波ESR測定システムのセットアップを開始した。すべての導波管を入れ替える必要があったが、作業は8割程度完了した。当初目的の対象化合物CuPzNについて、神戸大学と共同で、室温から極低温までの詳細な測定を行い、これまでに得られていたESRスペクトルの高温での温度変化について定量的データを得た。また、ほかの候補物質を探索するために関連低次元物質の磁気共鳴測定を液体4He領域で行った。
分担者による理論研究においては、昨年度よりさらに発展して、低温における量子スピン鎖モデルを舞台とした量子臨界現象やダイナミクスに関する研究をすすめた。隠れたスピンネマティック液体状態や量子臨界相の対称性による保護に関する知見を得た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

室温から数10 Kまでの広い中間温度領域においてもスペクトル分裂に温度変化が存在することは、当初予定していなかったものであるが、興味深い発見である。
しかしながら、実験面で、超低温域で試料を角度回転させることの可能な共振器の製作と試験に遅れが出ている。共振器の製作にかなり精度が必要なためである。また、使用予定の希釈冷凍機にトラブルが発生し使用できない状況となっており、早急に修理が必要となっている。具体的には冷媒である3He-4He混合ガスの一部が外部へ漏れてしまい補充が必要であるが、世界的なヘリウムガス逼迫状況のなかで入手できていない。そこで、現有の希釈冷凍機の混合ガスをいったん分留して利用する計画を立てて、新たなガス保管タンクを作製するなどの作業を行っている。

Strategy for Future Research Activity

室温から数10 Kまでの広い中間温度領域におけるスペクトル分裂に温度変化について、理論的研究による説明を試みる。
共振器デザインの課題に取り組み、超低温域での望みの磁場角度での測定に目処を付ける。ピエゾアクチュエータは購入できたためこの開発を加速する予定である。いずれも液体ヘリウム4温度での測定が可能になったことを利用して、試験を行う。
あわせて希釈冷凍機の早期復旧を目指すが、混合ガスが不足したり、漏れの原因が完全に取り除けなかったりした場合には、外部との共同研究の可能性も検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Turku大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] Turku大学(フィンランド)
• [Journal Article] Observation of thermodynamics originating from a mixed-spin ferromagnetic chain (2022)
  • Author(s): Yamaguchi H.、Furuya S. C.、Morota S.、Shimono S.、Kawakami T.、Kusanose Y.、Shimura Y.、Nakano K.、Hosokoshi Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.l100404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gapless symmetry-protected topological phase of quantum antiferromagnets on anisotropic triangular strip (2022)
  • Author(s): Hidaka Yuichiro、Furuya Shunsuke C.、Ueda Atsushi、Tada Yasuhiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 14 Pages: 144436-144436
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.144436
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Control of superexchange interactions with DC electric fields (2021)
  • Author(s): Furuya Shunsuke C.、Takasan Kazuaki、Sato Masahiro
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 3 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.033066
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantized edge magnetizations and their symmetry protection in one-dimensional quantum spin systems (2021)
  • Author(s): Furuya Shunsuke C.、Sato Masahiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 18
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.184401
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 量子臨界相の対称性による保護 (2023)
  • Author(s): 古谷 峻介
  • Organizer: 統計物理学懇談会（第10回）
  • Invited
• [Presentation] Gapless symmetry-protected topological phase and symmetry-protected critical phase (2023)
  • Author(s): Shunsuke C. Furuya
  • Organizer: First Young Researchers' Workshop of the Extreme Universe Collaboration
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 一軸性量子カイラル強磁性体のダイナミクス (2023)
  • Author(s): 古谷 峻介
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] ESRとNMRからみたS=1/2低次元反強磁性体Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 廣澤康平, 倉知豊, 丸山薫, 石川裕也, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 高橋英幸, 長澤直生, 山本孟, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] S=1/2反強磁性鎖モデルcopper pyrazine dinitrateにおける中間温度域でのスペクトルの分裂 (2023)
  • Author(s): 石川裕也, 高橋英幸, 長澤直生, 廣澤康平, 浅野貴行, 大道英二, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] NMR Study of Single Crystal of Spin-1/2 Antiferromagnetic Chain D-F5PNN crossing Critical Field Region (2022)
  • Author(s): Yutaka Fujii, Yusuke Takahashi, Kaoru Maruyama, Kohei Nakagawa, Yuya Ishikawa, Konami Izumi, Naoko Sakai, and Kunio Taguma
  • Organizer: International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetization Process and ESR Study of Spin-1/2 Low Dimensional Antiferromagnet, Henmilite (2022)
  • Author(s): Kanata Hayashi, Kouhei Hirozawa, Yusuke Takahashi, Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Takayuki Asano, Hajime Yamamoto, Hiroyuki Kimura, Terutoshi Sakakura, Yukio Noda, Akira Matsuo, Koichi Kindo, Hideyuki Takahashi, Seitaro Mitsudo
  • Organizer: International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a cylindrical cavity for ESR/NMR DoMR measurements in high-field and low-temperature region (2022)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Kouhei Hirozawa, Kanata Hayashi, Takayuki Asano, Yutaka Fujii, Seitaro Mitsudo
  • Organizer: International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 19F-NMR study of one-dimensional spin-1/2 antiferromagnet D-F5PNN with single crystal (2022)
  • Author(s): Yusuke Takahashi, Yutaka Fujii, Kaoru Maruyama, Yuya Ishikawa, Kohei Nakagawa, Konami Izumi, Naoko Sakai, Kunio Taguma
  • Organizer: The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a cylindrical resonator for ESR/NMR DoMR measurements in high-frequency and low-temperature region (2022)
  • Author(s): Kohei Hirozawa, Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Takayuki Asano, Yutaka Fujii, Seitaro Mitsudo
  • Organizer: The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 核磁気共鳴からみたzigzag鎖反強磁性体Cd2Cu2(PO4)SO4・5H2Oの基底状態 (2022)
  • Author(s): 丸山薫, 廣澤康平, 林哉汰, 藤原理賀, 石川裕也, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 一軸性カイラル強磁性体の量子極限 (2022)
  • Author(s): 古谷 峻介
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 磁場中SU(3)Heisenberg 反強磁性鎖におけるスピンネマティック液体相 (2022)
  • Author(s): 古谷 峻介
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] S=1/2低次元反強磁性体Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2の磁化過程と高周波ESR研究 (2022)
  • Author(s): 林哉汰, 廣澤康平, 佐野巴則, 石川裕也, 藤井裕, 浅野貴行, 山本孟, 木村宏之, 坂倉輝俊, 松尾晶, 金道浩一, 高橋英幸, 光藤誠太郎
  • Organizer: 第31回(2022年度)日本赤外線学会研究発表会
• [Presentation] 核磁気共鳴からみたzigzag鎖反強磁性体Cd2Cu2(PO4)2SO4・5H2Oの基底状態 (2022)
  • Author(s): 丸山薫, 廣澤康平, 林哉汰, 藤原理賀, 石川裕也, 藤井裕
  • Organizer: 第九回西日本強磁場科学研究会
• [Presentation] 19F-NMR study of spin-1/2 antiferromagnetic chain model D-F5PNN in a critical field region (2022)
  • Author(s): Yusuke Takahashi, Yutaka Fujii, Kaoru Maruyama, Yuya Ishikawa, Kohei Nakagawa, Konami Izumi, Naoko Sakai, Kunio Taguma
  • Organizer: The 9th International Academic Symposium between XUT and FKU, 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] S=1/2 低次元反強磁性体henmiliteのNMR (2022)
  • Author(s): 倉知豊, 林哉汰, 丸山薫, 石川裕也, 山本孟, 藤井裕
  • Organizer: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] S=1/2低次元反強磁性体Henmiliteの磁化過程と高周波ESR研究 (2022)
  • Author(s): 林哉汰, 廣澤康平, 佐野巴則, 石川裕也, 藤井裕, 浅野貴行, 山本孟, 木村宏之, 坂倉輝俊, 松尾晶, 金道浩一, 高橋英幸, 光藤誠太郎
  • Organizer: 第61回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2022）
• [Presentation] Quantized edge magnetizations and their symmetry protection in one-dimensional quantum spin systems (2022)
  • Author(s): Shunsuke C. Furuya
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場中SU(3) Heisenberg反強磁性鎖の隠れたスピンネマティック液体状態 (2022)
  • Author(s): 古谷 峻介
  • Organizer: 第17回量子スピン系研究会
• [Presentation] S=1/2反強磁性鎖D-F5PNNの核磁気緩和 (2022)
  • Author(s): 藤井裕，高橋佑輔，丸山薫，仲川晃平，石川裕也，泉小波，酒井尚子，田熊邦郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(2022年)
• [Presentation] 低次元反強磁性体Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2の高周波ESR (2022)
  • Author(s): 林哉汰, 廣澤康平, 奥谷顕, 高橋佑輔, 石川裕也, 浅野貴行, 山本孟, 木村宏之, 坂倉輝俊, 野田幸男, 藤井裕, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] 一次元的フラストレート磁性体KCu3OCl(SO4)2の磁気転移にかんするESR研究 (2022)
  • Author(s): 菊池 彦光, 谷口 敦紀, 中川 航佑, 林 哉汰, 廣澤 康平, 石川 裕也, 藤井 裕
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] ESR/NMR二重磁気共鳴測定に向けたミリ波帯円筒型共振器の開発II (2022)
  • Author(s): 廣澤 康平, 石川 裕也, 林 哉汰, 藤井 裕, 大矢 健太, 浅野 貴行, 光藤 誠太郎, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] DC電場によるトポロジカルスピンテクスチャの制御の微視的理論 (2022)
  • Author(s): 古谷峻介, 佐藤正寛
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] Development of a millimeter-wave band resonator with meanderline for DNP-NMR measurements (2021)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Konami Izumi, Akira Fukuda, Tomoki Oida, Yuta Koizumi, Eiichi Kobayashi, Soonchil Lee, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev, Hikomitsu Kikuchi, Seitaro Mitsudo
  • Organizer: ISMAR-APNMR-NMRSJ-SEST 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Angular rotation ESR measurements of S=1/2 two-dimensional antiferromagnet henmilite (2021)
  • Author(s): Kanata Hayashi, Tomonori Sano, Yusuke Takahashi, Yuya Ishikawa, Takayuki Asano, Hajime Yamamoto, Hiroyuki Kikumra, Terutoshi Sakakura, Yukio Noda, Yutaka Fujii, Seitaro Mitsudo
  • Organizer: ISMAR-APNMR-NMRSJ-SEST 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NMR Study of Single Crystal of Spin-1/2 One-Dimensional Antiferromagnet D-F5PNN in Critical Magnetic Field Region (2021)
  • Author(s): Yutaka Fujii, Tomoki Oida, Yusuke Takahashi, Yuya Ishikawa, Konami Izumi, Naoko Sakai, Kunio Taguma
  • Organizer: ISMAR-APNMR-NMRSJ-SEST 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] S=1/2反強磁性体Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2単結晶の高周波ESR (2021)
  • Author(s): 林哉汰, 佐野巴則, 高橋佑輔, 石川裕也, 浅野貴行, 山本孟, 木村宏之, 坂倉輝俊, 野田幸男, 藤井裕, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本赤外線学会第３０回研究発表会
• [Presentation] ESR/NMR二重磁気共鳴測定に向けたD-band帯円筒型共振器の開発 (2021)
  • Author(s): 石川裕也, 藤井裕, 林哉汰, 廣澤康平, 大矢健太, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本赤外線学会第３０回研究発表会
• [Presentation] Zigzag鎖反強磁性体Cd2Cu2(PO4)2SO4・5H2OのNMR測定 (2021)
  • Author(s): 丸山薫，廣澤康平，林哉汰，藤原理賀，石川裕也，藤井裕
  • Organizer: 2021年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] ESR/NMR二重磁気共鳴用ミリ波帯円筒型共振器の開発 (2021)
  • Author(s): 廣澤康平，林哉汰，佐野巴則，高橋佑輔，浅野貴行，石川裕也，藤井裕，光藤誠太郎
  • Organizer: 2021年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] S=1/2反強磁性鎖D-F5PNNの19F-NMR (2021)
  • Author(s): 高橋佑輔，丸山薫，仲川晃平，石川裕也，泉小波，酒井尚子，田熊邦郎，藤井裕
  • Organizer: 2021年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] COMSOLシミュレーションを用いたD-band移相器の開発 (2021)
  • Author(s): 江原颯斗，I. P. Abdi. Karya，内山裕二，石川裕也，藤井裕，光藤誠太郎
  • Organizer: 2021年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 一次元フラストレート磁性体KCu3OCl(SO4)2のESR (2021)
  • Author(s): 谷口敦紀，中川航佑，林哉汰，廣澤康平，石川裕也，藤井裕，菊池彦光
  • Organizer: 2021年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 極低温における核磁気共鳴・電子スピン共鳴法を用いた磁性研究 (2021)
  • Author(s): 藤井裕
  • Organizer: 第6回 強磁場コラボラトリー オンラインセミナー
  • Invited
• [Presentation] 1次元量子スピン系における端磁化の量子化と対称性による保護 (2021)
  • Author(s): 古谷峻介, 佐藤正寛
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] DC electric-field control of magnetic anisotropies: Applications to topological spin textures and Kitaev spin liquids (2021)
  • Author(s): Shunsuke C. Furuya
  • Organizer: International Conference on Frustration, Topology, and Spin Textures
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 福井大学研究者総覧
  • URL: https://r-info.ad.u-fukui.ac.jp/Profiles/30/0002989/profile.html
• [Remarks] 関連物質として共同研究を行った逸見石の磁性に関する研究においてプレスリリース
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/10/press20211018-02-henmilite.html