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キタエフ物質の基底状態制御

Research Project

Project/Area Number 21KK0242
Research Category

Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research InstitutionTohoku University (2022-2023)
The University of Tokyo (2021)

Principal Investigator

水上 雄太  東北大学, 理学研究科, 准教授 (80734095)

Project Period (FY) 2022 – 2024
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
Keywordsキタエフ / 量子スピン液体 / 圧力 / 格子欠陥 / 反強磁性 / マヨラナ粒子 / キタエフ模型 / 電子線照射 / フラストレーション
Outline of Research at the Start

量子スピン液体とは量子揺らぎの為にスピンによる磁気秩序が生じない状態である。キタエフ模型は量子スピン液体状態を厳密解として持つが、そこではマヨラナフェルミオンや非可換エニオンといった新しい素励起が期待されており、これらは量子計算への応用も期待されている。しかし,その現実の候補物質においてはキタエフ模型からのずれの効果により磁気秩序が生ずるため、現状は高磁場で磁気秩序を抑制する必要がある。本研究では,新規な物質制御手法により磁気秩序を抑制することで,弱磁場でのキタエフ量子スピン液体状態の実現を目指し、その理解を進展させる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究においては、キタエフ量子スピン液体候補物質に対して、結晶格子の点欠陥量を可逆的に変化させることで、キタエフ量子スピン液体候補物質の基底状態を制御することを目的とする。これまでの研究により、キタエフ量子スピン液体候補物質alpha-RuCl3において格子欠陥導入により反強磁性転移温度が低下することが分かっており、さらに元素置換系と比較すると非常に少ない欠陥量で転移温度が抑制されることが明らかとなっている。さらに、本研究では格子欠陥を導入した試料に対して磁場角度回転比熱測定を実施し、その低エネルギーの励起構造を調べたところ、純粋な系で観測された遍歴マヨラナ励起と同様な磁場角度依存性が観測された。この格子欠陥を導入した系をさらに詳細に調べると、遍歴的な励起に加えて、新たな局所的なマヨラナ励起が生じていることが比熱測定より明らかとなった。この成果について、米国科学誌のPhysical Review系雑誌において公表した。
また、反強磁性相のさらなる抑制を試みるために、海外出張を行い、格子欠陥導入の実験を実施した。現地での予備測定を行うことで、転移温度が低下していることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまで電子線照射を実施し、反強磁性転移温度が低下した試料においても、磁場角度回転比熱測定により純粋な系と同様な遍歴マヨラナ励起を観測した。さらに、このような系においては、導入した欠陥により新たな局所的なマヨラナ励起が生ずることが明らかとなった。

Strategy for Future Research Activity

今後も、alpha-RuCl3を始めとするキタエフ量子スピン液体候補物質に対する格子欠陥導入を行い、反強磁性転移温度のさらなる抑制を試みる。これに伴い、反強磁性が抑制される臨界磁場のより低い系を実現するとともに、低磁場の振る舞いや、新たな励起構造について詳細に調べる。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (29 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 9 results) Presentation (16 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Majorana-fermion origin of the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl <sub>3</sub>2024

    • Author(s)
      Imamura Kumpei、Suetsugu Shota、Mizukami Yuta、Yoshida Yusei、Hashimoto Kenichiro、Ohtsuka Kenichi、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Noh Pureum、Nasu Joji、Moon Eun-Gook、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 10 Issue: 11

    • DOI

      10.1126/sciadv.adk3539

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Defect-Induced Low-Energy Majorana Excitations in the Kitaev Magnet <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mtext>?</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>RuCl</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math>2024

    • Author(s)
      Imamura K.、Mizukami Y.、Tanaka O.、Grasset R.、Konczykowski M.、Kurita N.、Tanaka H.、Matsuda Y.、Yamada M.?G.、Hashimoto K.、Shibauchi T.
    • Journal Title

      Physical Review X

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 011045-011045

    • DOI

      10.1103/physrevx.14.011045

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  • [Journal Article] Unusual crossover from Bardeen-Cooper-Schrieffer to Bose-Einstein-condensate superconductivity in iron chalcogenides2023

    • Author(s)
      Mizukami Yuta、Haze Masahiro、Tanaka Ohei、Matsuura Kohei、Sano Daiki、B?ker Jakob、Eremin Ilya、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 6 Issue: 1 Pages: 183-183

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01289-8

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    • Author(s)
      Yu Zhongyu、Nakamura Koya、Inomata Kazuya、Shen Xiaoling、Mikuri Taketora、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada、Uwatoko Yoshiya、Fujiwara Naoki
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 6 Issue: 1 Pages: 175-175

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01286-x

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    • Author(s)
      K. Matsuura, M. Roppongi, .... et al (他26名)
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Issue: 21 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1073/pnas.2208276120

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  • [Journal Article] Chiral superconductivity in UTe2 probed by anisotropic low-energy excitations2023

    • Author(s)
      Ishihara Kota、Roppongi Masaki、Kobayashi Masayuki、Imamura Kumpei、Mizukami Yuta、Sakai Hironori、Opletal Petr、Tokiwa Yoshifumi、Haga Yoshinori、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1038/s41467-023-38688-y

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  • [Journal Article] Bulk evidence of anisotropic s-wave pairing with no sign change in the kagome superconductor CsV3Sb52023

    • Author(s)
      Roppongi M.、Ishihara K.、Tanaka Y.、Ogawa K.、Okada K.、Liu S.、Mukasa K.、Mizukami Y.、Uwatoko Y.、Grasset R.、Konczykowski M.、Ortiz B. R.、Wilson S. D.、Hashimoto K.、Shibauchi T.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 667-667

    • DOI

      10.1038/s41467-023-36273-x

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  • [Journal Article] Double dome structure of the Bose-Einstein condensation in diluted S=3/2 quantum magnets2023

    • Author(s)
      Watanabe Yoshito、Miyake Atsushi、Gen Masaki、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada、Ikeda Akihiko、Tokunaga Masashi、Kurumaji Takashi、Tokunaga Yusuke、Arima Taka-hisa
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1260-1260

    • DOI

      10.1038/s41467-023-36725-4

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  • [Journal Article] Pure nematic quantum critical point accompanied by a superconducting dome2022

    • Author(s)
      Ishida Kousuke、Onishi Yugo、Tsujii Masaya、Mukasa Kiyotaka、Qiu Mingwei、Saito Mikihiko、Sugimura Yuichi、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Hashimoto Kenichiro、Shibauchi Takasada
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 119 Issue: 18

    • DOI

      10.1073/pnas.2110501119

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Charge Transport in Ba1-xRbxFe2As2 Single Crystals2022

    • Author(s)
      Tsujii Masaya、Ishida Kousuke、Ishida Shigeyuki、Mizukami Yuta、Iyo Akira、Eisaki Hiroshi、Shibauchi Takasada
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Issue: 10 Pages: 104706-104706

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.104706

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  • [Presentation] 磁気トルク測定を用いた正方晶Fe(Se,S) におけるネマティック超伝導状態の検証2024

    • Author(s)
      近藤玲央名, 石原滉大, 松浦康平, 劉蘇鵬, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
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      Z.-Y.Yu, 沈暁玲, 中村昂矢, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
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      房&#22307;杰, 今村薫平, 難波隆一, 水上雄太, 石原滉大, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
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      大野綾太郎, 水上雄太, Supeng Liu, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 壁谷典幸, 木村憲彰
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  • [Presentation] 少数キャリア半金属 CeX における強相関電子状態2023

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      新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 筒井智嗣, 田中宏明, Yuyang Dong, 岩田拓万, 片山和郷, 水上雄太, 平井大悟郎, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 宮坂茂樹, 田島節子, 有田亮太郎, 近藤猛
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      近藤玲央名, 石原滉大, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
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      永島拓也, 石原滉大, 小林雅之, 六本木雅生, 松浦康平, 水上雄太, Romain Grasset, Marcin Konczykowski, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
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      Z.-Y.Yu, 中村昂矢, 猪股和也, 御栗丈虎, 沈暁玲, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
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      六本木雅生, 石原滉大, 田中優之介, 小河弘樹, 岡田昂, 劉蘇鵬, 向笠清隆, 水上雄太, 上床美也, R. Grasset, M. Konczykowski, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
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      今村薫平, 水上雄太, 吉田悠生, 橋本顕一郎, 栗田伸之, 田中秀数, 藤本聡, 山田昌彦, 松田祐司, E.-G. Moon, 芝内孝禎
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      Z.-Y.Yu, 中村昂矢, 猪股和也, 御栗丈虎, 沈暁玲, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
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      石原滉大, 小林雅之, 六本木雅生, 松浦康平, 水上雄太, M. Konczykowski, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
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  • [Remarks] 東北大学 極低温量子物理研究室

    • URL

      http://www.vlt.phys.tohoku.ac.jp/index.html

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  • [Remarks] 個人ホームページ

    • URL

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      https://sites.google.com/view/yutamizukamipage/home

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Published: 2022-02-08   Modified: 2024-12-25  

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