量子スピン系に内在するマヨラナダイナミクスとそのトポロジー

• Project Area: Frontiers of materials science spun from topology
• Project/Area Number: 16H00987
• 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: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 那須 譲治 東京工業大学, 理学院, 助教 (40610639)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 物性理論 / 量子スピン液体 / 強相関電子系

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、量子スピン系で実現する極低温まで磁気秩序を示さない量子スピン液体と呼ばれる状態に注目し、そこで現れる特異な素励起であるマヨラナ粒子がどのように物理量に表れるかを明らかにし、さらに、それが作るバンドのトポロジカルな性質が生み出す新規な物性現象の解明を目指して研究を行ってきた。具体的には、キタエフ模型と呼ばれる可解な量子スピン模型を解析することで以下の研究成果を得た。
(1) キタエフ模型における磁気ダイナミクスを数値シミュレーションによって解析し、動的スピン構造因子の温度変化を計算した。この結果は、実験的には中性子線散乱実験によって測定可能であることが知られている。実際に、キタエフ型量子スピン液体の候補物質であるルテニウム化合物における中性子線散乱実験の結果と本研究で得られた計算結果を比較することで、それらが良く一致することを示した。この結果は、ルテニウム化合物がキタエフ相互作用で良く記述でき、マヨラナ粒子の存在を示唆するものである。
(2) キタエフ模型に対して磁場効果を調べ、磁場によって新しい相が現れる可能性を数値計算によって示した。この相は、低磁場の相と比較してマヨラナ粒子の作るバンドのトポロジカルな性質が変化しており、相転移がマヨラナ粒子のバンドのトポロジーの変化を伴って起きることがわかった。
上記の研究成果は、量子スピン液体に内在するマヨラナ粒子の存在可能性とそのトポロジカル特性を議論し、その観測への道筋を作るものと期待している。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chung-Ang University/POSTECH/DGIST(韓国)
• [Int'l Joint Research] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Johannesburg(南アフリカ)
• [Int'l Joint Research] Cavendish Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] NRC Kurchatov Institute(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Journal Article] Role of spin-orbit coupling in the Kugel-Khomskii model on the honeycomb lattice (2018)
  • Author(s): A. Koga, S. Nakauchi, and J. Nasu
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Issue: 9 Pages: 0944271-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.094427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge Kondo Effect and Superconductivity in the Falikov-Kimball model with the Pair Hopping (2018)
  • Author(s): R. Shinzaki, J. Nasu, and A. Koga
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Issue: 12 Pages: 1251301-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.125130
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interlayer Coupling Effect on a Bilayer Kitaev Model (2018)
  • Author(s): H. Tomishige, J. Nasu, and A. Koga
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97 Issue: 9 Pages: 0944031-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.094403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chiral spin liquids at finite temperature in a three-dimensional Kitaev model (2017)
  • Author(s): Kato Yasuyuki、Kamiya Yoshitomo、Nasu Joji、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 17
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.174409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal Transport in the Kitaev Model (2017)
  • Author(s): Nasu Joji、Yoshitake Junki、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 119 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.127204
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Majorana fermions in the Kitaev quantum spin system α-RuCl3 (2017)
  • Author(s): Do Seung-Hwan、Park Sang-Youn、Yoshitake Junki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Kwon Yong Seung、Adroja D. T.、Voneshen D. J.、Kim Kyoo、Jang T.-H.、Park J.-H.、Choi Kwang-Yong、Ji Sungdae
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 13 Issue: 11 Pages: 1079-1084
  • DOI: 10.1038/nphys4264
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Temperature evolution of spin dynamics in two- and three-dimensional Kitaev models: Influence of fluctuating Z2 flux (2017)
  • Author(s): Yoshitake Junki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.064433
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Majorana dynamical mean-field study of spin dynamics at finite temperatures in the honeycomb Kitaev model (2017)
  • Author(s): Yoshitake Junki、Nasu Joji、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.024438
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin-Liquid-to-Spin-Liquid Transition in Kitaev Magnets Driven by Fractionalization (2017)
  • Author(s): J. Nasu, Y. Kato, J. Yoshitake, Y. Kamiya, Y. Motome
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 118 Issue: 13 Pages: 137203-137203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.118.137203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cluster Size Effects on Electronic Reconstruction in Quasiperiodic System (2017)
  • Author(s): R. Shinzaki, J. Nasu, and A. Koga
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 809 Pages: 0120221-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/809/1/012022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase diagram and collective excitation in excitonic insulator: from the orbital physics viewpoint (2016)
  • Author(s): J. Nasu, T. Watanabe, M. Naka, and S. Ishihara
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Issue: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.205136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fermionic response from fractionalization in an insulating two-dimensional magnet (2016)
  • Author(s): J. Nasu, J. Knolle, D. L. Kovrizhin, Y. Motome, R. Moessner
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 12 Issue: 10 Pages: 912-915
  • DOI: 10.1038/nphys3809
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Phase transitions in the Hubbard model for the bismuth nickelate (2016)
  • Author(s): S. Kojima, J. Nasu, and A. Koga
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Issue: 4 Pages: 0451031-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.045103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Field Effects in a Correlated Electron System with Spin-State Degree of Freedom -Implication of an Excitonic Insulator- (2016)
  • Author(s): T. Tatsuno, E. Mizoguchi, J. Nasu, M. Naka, S. Ishihara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 85 Issue: 8 Pages: 083706-083706
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.083706
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fractional Spin Fluctuation as a Precursor of Quantum Spin Liquids: Majorana Dynamical Mean-Field Study for the Kitaev Model (2016)
  • Author(s): J. Yoshitake, J. Nasu, and Y. Motome
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Issue: 15
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.157203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Response and Valence Fluctuations in the Extended Anderson Lattice Model with Quasiperiodicity (2016)
  • Author(s): R. Shinzaki, J. Nasu, and A. Koga
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 85 Issue: 11 Pages: 1147061-6
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.114706
  • NAID: 210000134154
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Dynamical and transport properties in Kitaev spin liquids (2018)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: TMS-EPiQS 2nd Alliance Workshop: Topological magnets and topological superconductors
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スピン軌道相互作用のある強相関励起子絶縁体に対する磁場効果 (2018)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 日本物理学会, 第73回年次大会
• [Presentation] キタエフ模型における熱輸送現象 (2017)
  • Author(s): 那須譲治, 吉竹純基, 求幸年
  • Organizer: 日本物理学会, 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 量子スピン液体の熱力学的性質とダイナミクスの理論的解明 (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 日本物理学会, 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
  • Invited
• [Presentation] Thermal transport in the Kitaev model (2017)
  • Author(s): J. Nasu, J. Yoshitake, Y. Motome
  • Organizer: Correlated Electron Systems (TPFC2017)
  • Place of Presentation: Kashiwa, Japan
  • Year and Date: 2017-02-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal transport in the Kitaev model (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: Novel Quantum States in Condensed Matter 2017 (NQS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal transport by emergent Majorana fermions in the Kitaev model (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: Junjiro Kanamori, Memorial International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal transport in the Kitaev model (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal transport in the Kitaev model (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: International Conference on Topological Materials Science (TopoMat2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キタエフ模型における熱伝導現象 (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 第二回 量子スピン液体研究の新展開
  • Invited
• [Presentation] キタエフスピン液体は本当に存在するのか？ (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 第七回 強相関電子系理論の最前線
• [Presentation] スピン状態自由度を有する強相関励起子相におけるスピン軌道相互作用の効果 (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 日本物理学会, 2017年秋季大会
• [Presentation] キタエフスピン液体に対する磁場効果 (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 日本物理学会, 2017年秋季大会
• [Presentation] Kitaevスピン液体の熱的性質とそのダイナミクス (2017)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 京都大学基礎物理学研究所・研究会 「熱場の量子論とその応用」
  • Invited
• [Presentation] キタエフ模型における磁場下での熱ホール効果 (2016)
  • Author(s): 那須譲治, 吉竹純基, 求幸年
  • Organizer: 第2回TMS領域研究会(TMS2016)
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2016-12-16
  • Invited
• [Presentation] Finite-temperature dynamics of emergent Majorana fermions in quantum spin liquids (2016)
  • Author(s): J. Nasu, J. Knolle, D. L. Kovrizhin, Y. Motome, R. Moessner
  • Organizer: EPiQS-TMS Trans-Pacific Conference
  • Place of Presentation: Moorea, French Polynesia
  • Year and Date: 2016-12-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キタエフ模型における分数化に由来したフェルミ励起：α-RuCl3におけるラマン散乱実験との比較 (2016)
  • Author(s): 那須譲治, Johannes Knolle, Dmitry Kovrizhin, 求幸年, Roderich Moessner
  • Organizer: 日本物理学会, 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] キタエフ模型の磁場下での熱ホール効果 (2016)
  • Author(s): 那須譲治, 求幸年
  • Organizer: 日本物理学会, 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] スピン状態自由度を持つ強相関模型における励起子絶縁体相とフラストレーション (2016)
  • Author(s): 那須譲治, 中惇, 石原純夫
  • Organizer: 日本物理学会, 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Fermionic response from fractionalization in quantum spin liquids (2016)
  • Author(s): J. Nasu, J. Knolle, D. L. Kovrizhin, Y. Motome, R. Moessner
  • Organizer: 8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2016
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子スピン液体の有限温度ダイナミクスと分数励起 (2016)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 平成28年度物性研究所短期研究会 パイ電子系物性科学の最前線
  • Place of Presentation: 物性研究所
  • Year and Date: 2016-08-08
  • Invited
• [Presentation] キタエフ模型の有限温度ダイナミクスと分数励起 (2016)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 第一回 量子スピン液体研究の新展開
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2016-07-14
  • Invited
• [Presentation] スピン状態自由度を持つ強相関模型における磁場誘起励起子絶縁体状態 (2016)
  • Author(s): 那須譲治, 辰野太郎, 中惇, 石原純夫
  • Organizer: 物性研究所短期研究会「強磁場コラボラトリー、国際協力と強磁場科学の将来」
  • Place of Presentation: 物性研究所
  • Year and Date: 2016-06-23
• [Presentation] 量子スピン系に内在するマヨラナダイナミクスとそのトポロジー (2016)
  • Author(s): 那須譲治
  • Organizer: 新学術領域「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」公募班キックオフミーティング
  • Place of Presentation: 京都大学