The study on the thermal conductivity of quantum spin magnets under pulse high magnetic field

• Project/Area Number: 21K20347
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Nomoto Tetsuya 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (00908650)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 熱伝導率 / パルス強磁場 / 熱容量 / 量子スピン / ヒートパルス法 / 熱拡散率 / Shastry-Sutherland Model / 熱伝導 / 超強磁場 / フラッシュ法 / 量子スピン系 / 磁化プラトー / 熱測定 / パルス磁場

Outline of Research at the Start

パルス強磁場中での熱伝導率測定は、強磁場下における磁性体が示すスピンの動的な性質やスピン―格子相互作用などの情報を含む、重要な測定手法である。本研究ではパルス強磁場下で熱伝導率の高精度・高速測定が可能な新規測定系の開発を通じ、スピン液体やスピン・ダイマー系などの量子スピン系が強磁場下で示す新規な特性および物性発現の起源について探求する。また、磁性体が示す磁場による熱伝導率の変化を用いた熱スイッチング効果など、新規機能性材料としての可能性を検証する。

Outline of Final Research Achievements

We constructed a new thermal conductivity measurement system that can be used in pulsed high magnetic fields up to 40 T. The system is based on the heat pulse method and enables us to perform highly accurate and quick thermal conductivity measurements in the high magnetic field region. By using this system, we measured the thermal conductivity of a quantum spin material, SrCu2(BO3)2. We succeeded in observing a drastic reduction in thermal conductivity of SrCu2(BO3)2 above 20T, which is attributed to the effect of field-induced transition in this material.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

物質の相転移を利用した熱制御・スイッチング技術は、高効率な排熱の実現や熱を利用した発電など様々な領域に応用が可能であり盛んに研究されている。今回の開発により強磁場中で起こる相転移が熱輸送に与える影響を検証できるようになったことで、新たな熱デバイス材料の探求や特異的な熱輸送現象を示す現象の探求が可能になったという点で、その学術的・社会的意義は大きいと考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Magnetic field induced transition in the charge-glass former θ－(BEDT－TTF)2CsCo(SCN)4 (2023)
  • Author(s): Nomoto Tetsuya、Yamashita Satoshi、Akutsu Hiroki、Nakazawa Yasuhiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 8 Pages: 085121-085121
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.085121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous measurement of specific heat and thermal conductivity in pulsed magnetic fields (2023)
  • Author(s): Tetsuya Nomoto, Chengchao Zhong, Hiroshi Kageyama, Yoko Suzuki, Marcelo Jaime, Yoshiaki Hashimoto, Shingo Katsumoto, Naofumi Matsuyama, Chao Dong, Akira Matsuo, Koichi Kindo, Koichi Izawa, Yoshimitsu Kohama
  • Journal Title: arXiv Volume: 2302 Pages: 01627-01627
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Systematic study on thermal conductivity of organic triangular lattice systems (2022)
  • Author(s): T. Nomoto, S. Yamashita, H. Akutsu, Y. Nakazawa, and R. Kato
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 105 Issue: 24 Pages: 2451331-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.245133
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ロングパルス磁場中パルス中性子回折測定環境の開発と三角格子反強磁性体CuFeO2の磁場誘起相探査への応用 (2023)
  • Author(s): 中島多朗, 渡辺真朗, 稲村泰弘, 松井一樹, 神田朋希, 野本哲也, 大石一城, 河村幸彦, 齋藤開, 玉造博夢, 小濱芳允
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 電荷ガラス形成体θ-(BEDT-TTF)2CsZn(SCN)4の低温電子相に対する強磁場効果 (2023)
  • Author(s): 野本哲也、小濱芳允
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] α-(BETS)2I3における2D-3Dクロスオーバーとカイラル磁気異常効果 (2022)
  • Author(s): 野本哲也、今城周作、圷広樹、中澤康浩、小濱芳允
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] β'-X[Pd(dmit)2]2系の低温熱輸送特性の対イオン依存性 (2022)
  • Author(s): 野本哲也, 山下智史, 圷広樹, 中澤康浩, 加藤礼三
  • Organizer: 日本物理学会 2022年年次大会
• [Presentation] 超強磁場下の有機分子性固体におけるトポロジカル物性と電子相関効果 (2022)
  • Author(s): 野本 哲也
  • Organizer: 強磁場コラボラトリー オンラインセミナー
• [Presentation] β'-X[Pd(dmit)2]2系の低温熱輸送特性の対イオン依存性 (2022)
  • Author(s): 野本哲也, 山下智史, 圷広樹, 中澤康浩, 加藤礼三
  • Organizer: 第77回日本物理学会年次大会
• [Presentation] Organic 3D topological insulator with massless Weyl fermions (2022)
  • Author(s): 野本哲也, 圷広樹, 中澤康浩, 小濱芳允
  • Organizer: Thermodynamic Properties of Nano-materials and Nano-structure Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic-field-induced transition of charge-glass former containing a magnetic transition metal (2021)
  • Author(s): 野本哲也, 山下智史, 圷広樹, 中澤康浩
  • Organizer: Multiscale Phenomena in Condensed Matter Online conference for young researchers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電荷グラス形成体θ-(BEDT-TTF)2CsM(SCN)4 (M=Zn, Co)の強磁場下物性 (2021)
  • Author(s): 野本哲也, 山下智史, 圷広樹, 中澤康浩, 小濱芳允
  • Organizer: 2021年度物性研究所短期研究会 「分子性固体研究の拡がり：新物質と新現象」