ナノスケールスピン液体におけるスピノン超流動によるスピン変換理論

• Project Area: nano spin conversion science
• Project/Area Number: 15H01025
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• 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, 古崎物性理論研究室, 専任研究員 (70455335)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2016: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2015: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: スピン流 / スピン液体 / スピンアイス / 物性理論 / 磁性 / スピントロニクス / 量子スピン液体 / スピントロにクス

Outline of Annual Research Achievements

U(1)量子スピン液体の候補物質である希土類磁性絶縁体Pr2Zr2O7などは、電荷0・スピン1/2を運ぶ分化したボーズ粒子スピノンを、励起エネルギーギャップを持った準粒子として自発的に生じると考えられている。一方、Yb2Ti2O7は、このU(1)量子スピン液体からHiggs閉じ込め強磁性相に相転移した系として知られている。そこでは、スピノンがボーズ凝縮して超伝導体におけるクーパー対のように振る舞うと考えられるため、超伝導におけるジョセフソン効果の磁気的類似現象の発現が期待される。これらは、散逸のない革新的スピン変換・制御機能の理論的発見に直接つながる、きわめて重要な現象である。我々は、Yb2Ti2O7/Pr2Zr2O7/Yb2Ti2O7、及び、Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7の薄膜状ナノ接合系の有効スピン理論模型を解析をした。スピン模型の結合定数、および、左右両側のYb2Ti2O7における強磁性磁化の方向やスピノンの位相差などの境界条件を変化させながら、接合系のスピン構造、スピノン凝縮成分の空間分布と位相分布、接合を流れる局所スピノン流などを計算した。その結果、Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7接合系では、左右両側のスピノンの位相差に比例してスピノンのsupercurrentが増大し、接合の厚さによらず内部であまり減衰しないことを示した。Yb2Ti2O7/Pr2Zr2O7/Yb2Ti2O7接合系では、スピノンの位相差について、２π、４π、６π周期のサイン関数を成分にもつスピノン流が発生し、その強度は接合の厚みとともに減衰することを示した。スピノンは磁化のモノポールを運ぶことから、この場合には、縦スピン流と、接合の両側のスピノンの位相差の間に一般化されたジョセフソンの関係式が成立することがわかった。本成果について論文投稿準備中である。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NIST(米国)
• [Int'l Joint Research] Institute Laue Langevin(France)
• [Int'l Joint Research] NIST/Georgia Regents University(米国)
• [Int'l Joint Research] Institute Laue Langevin(France)
• [Journal Article] Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2+xTi2-xO7+y (2016)
  • Author(s): H. Takatsu, S. Onoda, H. Takatsu, S. Kittaka, A. Kasahara, Y. Kono, T. Sakakibara, Y. Kato, B. Fåk, J. Ollivier, J. W. Lynn, T. Taniguchi, M. Wakita, H. Kadowaki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 116 Issue: 21 Pages: 2172011-5
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.217201
  • NAID: 120005848239
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2+xTi2-xO7+y (2016)
  • Author(s): H. Takatsu, S. Onoda, S. Kittaka, A. Kasahara, Y. Kono, T. Sakakibara, Y. Kato, B. Fak, J. Ollivier, J.W. Lynn, T. Taniguchi, M. Wakita, H. Kadowaki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 未定
  • NAID: 120005848239
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical evidence of quantum melting of spin ice: quantum-classical crossover (2015)
  • Author(s): Yasuyuki Kato, Shigeki Onoda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 115 Issue: 7 Pages: 077202-077202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.077202
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Quantum spin ice under a [111] magnetic field (2017)
  • Author(s): T. A. Boesen, S. Onoda
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2016
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パイロクロア量子スピンアイス系のスピンダイナミクスの理論 (2016)
  • Author(s): 小野田繁樹, Trinanjan Datta
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学、仙台市、宮城県
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Theory for magnetic excitations in quantum spin ice (2016)
  • Author(s): Shigeki Onoda, Trinanjan Datta
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2016
  • Place of Presentation: Baltimore, MD, USA
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] Quantum spin ice: current issues and beyond (2016)
  • Author(s): Shigeki Onoda
  • Organizer: 2016 Quantum Materials Symposium
  • Place of Presentation: Muui Island, Korea
  • Year and Date: 2016-02-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic analogue of superconductivity in the Higgs ferromagnetic phase of quantum spin ice (2016)
  • Author(s): Sho Nakosai, Shigeki Onoda
  • Organizer: 8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Resolving controversies on quantum spin ice: Yb2Ti2O7 and Tb2Ti2O7 (2016)
  • Author(s): S. Onoda
  • Organizer: 8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum spin ice under a [111] magnetic field (2016)
  • Author(s): S. Onoda
  • Organizer: Frustrated Magnetism Workshop
  • Place of Presentation: Chennai, India
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] パイロクロアU(1)量子スピン液体・秩序相における励起：フォトン、量子スピンアイスモノポール、ヒッグスモード (2015)
  • Author(s): 小野田繁樹
  • Organizer: 物性研短期研究会「スピン系物理の深化と最前線」
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所、柏市、千葉県
  • Year and Date: 2015-11-17
  • Invited
• [Presentation] Theory for electronic properties of oxide pyrochlores: quantum spin ice and iridates (2015)
  • Author(s): Shigeki Onoda
  • Organizer: TMU International Symposium on “New Quantum Phases Emerging from Novel Crystal Structure”
  • Place of Presentation: 首都大学東京、八王子市、東京都
  • Year and Date: 2015-09-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermal, transport, and spectral properties of generic quantum spin ice beyond the mean-field theory (2015)
  • Author(s): Shigeki Onoda
  • Organizer: The 20th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Melting of frozen frustration
  • URL: http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/8138/
• [Remarks] プレスリリース「凍ったスピンをさらに冷やして量子効果で液体に融かす」
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150821_2/