新奇なスピン液体相を形成するフラストレート化合物の多角的熱力学研究

• Project Area: Novel States of Matter Induced by Frustration
• Project/Area Number: 22014007
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中澤 康浩 大阪大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60222163)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥3,700,000 (Direct Cost: ¥3,700,000); Fiscal Year 2011: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2010: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
• Keywords: フラストレーション / 熱容量 / Mott絶縁体 / スピン液体 / 三角格子 / カゴメ格子 / 分子性固体 / 磁性

Research Abstract

本課題は、フラストレートしたスピン系に特徴的に生じる量子スピン液体状態における、熱力学的な側面からの理解と新たな現象開拓を進めることを目的とする研究である。
最終年度である、平成23年度は、基底状態がスピン液体になる有機三角格子Mott絶縁体であるEtMe_3Sb[Pd(dmit)_2]_2を中心に、カチオン部の置換によって現れる基底状態の熱力学的特徴の系統的な変化を調べることを行った。カチオンをMe_4Sb,EtMe_3Asにした系では基底状態は反強磁性となり有限のγ項は消失する。またEt_2Me_2Sbの塩は電荷秩序状態に位置し、ここでもγ項は零になる。同時に、両秩序相での熱容量の値はスピン液体相と比較すると抑制され、その効果はC_pT^1 vs T^2の傾きに相当するβの値に顕著に反映することが判明した。スピン液体状態が、二量体ユニット内の電荷の自由度を通して格子の自由度ともカップルし、比較的柔軟な格子をつくることが明らかになった。さらに、これらの物質で生じるC_pT^1のhump構造につて検討を行い、三角格子性からのずれを示すパラメターであるt'/tとhump温度に相関があることが明らかになった。
上記の有機三角格子系の熱測定と並行して、カゴメ格子のフラストレート系である天然鉱物であるVolborthite (Cu_3V_2O_7(OH)_2・2H_2O)の微少量試料を行った。特に、試料依存性を詳細に検討したところ、3Kより高温の温度領域では熱容量に大きな試料依存性はないが1 K付近の構造にガラス凍結のような性質を示す試料と相転移的なピーク構造を示すケースがあることが判明した。1 K付近に生じる磁気異常は短距離的な秩序形成であり試料の質や不純物によって大きく影響を受けることが明らかになった。スピン液体中で生じる新しいタイプの相転移であること考えられ、今後の理論研究の展開に大きな指針を与える結果である。

Research Products

• [Journal Article] Microchip-calorimetry of organic charge transfere complex which shows superconductivity at low temperatures (2012)
  • Author(s): Y.Muraoka, S.Yamashita, T.Yamamoto, Y.Nakazawa
  • Journal Title: Thermochimica Acta Volume: 532 Pages: 88-91
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gapless Spin Liquid of an Organic Triangular Compound Evidenced by Thermodynamic Measurements (2011)
  • Author(s): S.Yamashita, T.Yamamoto, Y.Nakazawa, M.Tamura, R.Kato
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: 2 Issue: 1 Pages: 2751-6
  • DOI: 10.1038/ncomms1274
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] AC heat capacities of k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 measured by microchip calorimeter (2011)
  • Author(s): Y.Muraoaka, S.Yamashita, T.Yamamoto, Y.Nakazawa
  • Journal Title: J.Phys.Conf.Series Volume: 320 Pages: 0120271-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low Temperature Heat Capacity Measurements of the Spin-Liquid State of Hydrogenated and Deuterated κ-(BEDT-TTF)_2Cu_2(CN)_3 (2010)
  • Author(s): S.Yamashita, T.Yamamoto, Y.Nakazawa
  • Journal Title: Physics B Volume: 405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-Temperature Heat Capacity Measurements of κ-Type Organic Superconductors under Pressure (2010)
  • Author(s): N.Tokoro, S, Fukuoka, O.Kubota, Y.Nakazawa
  • Journal Title: Physics B Volume: 405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heat Capacity Measurements of Chiral and Racemic Molecular Magnets (2010)
  • Author(s): S.Fukuoka, S.Yamashita, T.Yamamoto, Y.Nakazawa, H.Higashikawa, K.Inoue
  • Journal Title: Physica B Volume: 405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermodynamic Properties of the Kagome Lattice in Volborthite (2010)
  • Author(s): S.Yamashita, T.Moriura, Y.Nakazawa, H.Yoshida, Y.Okamoto, Z.Hiroi
  • Journal Title: J.Phys.Soc.Jpn. Volume: 79
  • NAID: 40017245103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-Temperature Heat Capacity of Heptacopper(II) Complex [Cu_7(μ_3-Cl)_2(μ_3-OH)_6-(D-pen-disulfide)_3] (2010)
  • Author(s): N.Tokoro, S.Yamashita, A.Igashira-Kamiyama, J, Fujioka, T.Konno, Y.Nakazawa
  • Journal Title: J.Therm Analr.Calori. Volume: 99 Pages: 149-152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heat Capacities of Antiferromagnetic Dimer-Mott Insulators in Organic Charge-Transfer Complexes (2010)
  • Author(s): S.Yamashita, Y.Nakazawa
  • Journal Title: J.Therm.Analr.Calori. Volume: 99 Pages: 153-157
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 分子スピンのフラストレーションで現れたスピン液体状態 (2010)
  • Author(s): 中澤康浩
  • Journal Title: パリティ Volume: 25 No.4 Pages: 68-72
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pd(dmit)_2系スピン液体物質の熱力学的性質 (2012)
  • Author(s): 中澤康浩
  • Organizer: 特定領域研究最終成果報告会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2012-01-08
• [Presentation] Thermodynamic Properties of the Spin-Liquid State in Organic Charge Transfer Salts (2011)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: Tamura Symposium
  • Place of Presentation: 大阪府立大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-12-04
• [Presentation] ダイマー型分子性Mott絶縁体の格子熱容量に関する系統的研究 (2011)
  • Author(s): 山下智史、中澤康浩、加藤礼三
  • Organizer: 第47回熱測定討論会
  • Place of Presentation: 桐生文化会館(群馬)
  • Year and Date: 2011-10-23
• [Presentation] 熱測定の重要性と有効性-電子物性研究を例として- (2011)
  • Author(s): 中澤康浩
  • Organizer: 第47回熱測定討論会
  • Place of Presentation: 桐生文化会館(群馬)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-21
• [Presentation] Heat Capacities of Molecular Conductors and Molecular Magnets (2011)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: The 6^<th> International& 8^<th> Japan-China Joint Symposium on Calorimetry and Thermal Analysis
  • Place of Presentation: 首都大学東京
  • Year and Date: 2011-08-02
• [Presentation] Specific Heat of Spin Liquid State in Organic Triangular Salts (2011)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: International Symposium of MEXT/CIFAR Program on Frustrated Magnetic and Other Systems
  • Place of Presentation: カナダ バンクーバ(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-28
• [Presentation] Low-Temperature Thermodynamic Properties of 2D-Kagome Lattice in Volborthite (2010)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: 2nd International Conference of Structural Thermodynamics ISST-2010
  • Place of Presentation: 千里ライフサイエンスセンター(大阪府)
  • Year and Date: 2010-08-10
• [Presentation] Thermodynamic Studies of Electronic Properties of Organic Charge Transfer Salts (2010)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: 21st IUPAC International Conference on Chemical Thermodynamics ICCT-2010
  • Place of Presentation: エポカル筑波(茨城県)(招待講演)
  • Year and Date: 2010-08-05
• [Presentation] Thermodynamic Properties of Spin-Liquid State of Organic Charge Transfer Salts (2010)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: 21 st IUPAC International Conference on Chemical Thermodynamics ICCT-2010
  • Place of Presentation: エポカル筑波(茨城県)
  • Year and Date: 2010-08-02
• [Presentation] Thermodynamic Study of Organic Frustrated System which Show Spin-Liquid Behaviors (2010)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: CalCon2010 The 65 th Calorimetry Conference
  • Place of Presentation: Colorado Springs, Colorado (USA)(招待講演)
  • Year and Date: 2010-07-21
• [Presentation] Thermodynamics of Molecular Assembled Systems-Superconductivity, Magnetism and a Spin Liquid- (2010)
  • Author(s): Y.Nakazawa
  • Organizer: Joint Symposium of Universite de Strasbourg and Osaka University
  • Place of Presentation: Strasbourg University (France)(招待講演)
  • Year and Date: 2010-07-01
• [Presentation] 新奇なスピン液体相を形成するフラストレート化合物の熱的性質 (2010)
  • Author(s): 中澤康浩
  • Organizer: 理研研究会
  • Place of Presentation: 理化学研究所(埼玉県)
  • Year and Date: 2010-05-12
• [Book] 物理化学実験法第5版 (2011)
  • Author(s): 千原秀昭、徂徠道夫、中澤康浩
  • Total Pages: 374
  • Publisher: 東京化学同人