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

Research Project

Project/Area Number 21K03465
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionUniversity 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  埼玉医科大学, 医学部, 講師 (90781998)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥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。
前年度までに、当初目的の対象化合物CuPzNについて、神戸大学と共同で、試料に対する磁場印加方向を精密に制御した状態で、室温から極低温までの詳細な測定を行った。室温から数10 Kまでの広い中間温度領域においてもESRスペクトル分裂に温度変化が存在することを見いだし、その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。また、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り当該年度は主にこの作業をすすめた。
分担者による理論研究においては、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ている。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。当該年度は磁気異方性の電場印加効果に関する研究を学術論文として公表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

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。また、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り作業量が多く、時間を要している。

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。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (75 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 6 results) Presentation (60 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 3 results) Remarks (3 results)

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      Phys. Rev. Research

      Volume: 6 Issue: 1 Pages: 013228-013228

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.6.013228

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      Fujii Yutaka、Takahashi Yusuke、Maruyama Kaoru、Nakagawa Kohei、Ishikawa Yuya、Izumi Konami、Sakai Naoko、Taguma Kunio
    • Journal Title

      JPS Conf. Proc.

      Volume: 38

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011147

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    • Author(s)
      Hayashi Kanata、Ishikawa Yuya、Asano Takayuki、Yamamoto Hajime、Kimura Hiroyuki、Sakakura Terutoshi、Noda Yukio、Fujii Yutaka、Mitsudo Seitaro
    • Journal Title

      JPS Conf. Proc.

      Volume: 38

    • DOI

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      Ishikawa Yuya、Takahashi Hideyuki、Okutani Akira、Hayashi Kanata、Sano Tomonori、Hirozawa Kouhei、Ito Takero、Masuda Shota、Ohmichi Eiji、Ohta Hitoshi、Tatematsu Yoshinori、Asano Takayuki、Kikuchi Hikomitsu、Fujii Yutaka、Mitsudo Seitaro
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      JPS Conf. Proc.

      Volume: 38

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      10.7566/jpscp.38.011192

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      Kikuchi Hikomitsu、Fujii Yutaka、Ishikawa Yuya、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Widyaiswari Utami、Watanabe Isao
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      JPS Conf. Proc.

      Volume: 38

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      10.7566/jpscp.38.011127

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      Yamaguchi H.、Furuya S. C.、Morota S.、Shimono S.、Kawakami T.、Kusanose Y.、Shimura Y.、Nakano K.、Hosokoshi Y.
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      10.1103/physrevb.106.l100404

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      Physical Review B

      Volume: 106 Issue: 14 Pages: 144436-144436

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      Furuya Shunsuke C.、Takasan Kazuaki、Sato Masahiro
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      Physical Review Research

      Volume: 3 Issue: 3

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      10.1103/physrevresearch.3.033066

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      Furuya Shunsuke C.、Sato Masahiro
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      Physical Review B

      Volume: 104 Issue: 18

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      第19回量子スピン系研究会
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      丸山薫, 藤井裕, 倉知豊, 林哉汰, 藤原理賀, 石川裕也
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      41st Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference and Annual Meeting
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      林哉汰, 倉知豊, 石川裕也, 古谷峻介, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 山本孟, 高橋英幸, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
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      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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