Microscopic study for field-induced quantum liquid crystal state in itinerant kagome magnet

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04458
• 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: Hokkaido University
• Principal Investigator: 井原 慶彦 北海道大学, 理学研究院, 講師 (80598491)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: カゴメ遍歴磁性体 / 核磁気共鳴分光 / パルス強磁場 / 核磁気共鳴 / 強磁場 / 強磁場物性

Outline of Research at the Start

カゴメ反強磁性体は幾何学フラストレーションの効果により局在磁気モーメントが秩序化できず、特異な量子基底状態が出現するため量子磁性の観点から盛んに研究が行われてきた。一方で、カゴメ金属では近年超伝導が発見され一躍注目を集めている。本研究では磁性と伝導性を併せ持つカゴメ遍歴磁性体に注目し、その量子基底状態を解明する。さらに構造歪、または強大な外部磁場により強制的に対称性の低下を引き起こし、部分的な対称性低下により出現する量子液晶状態の探索を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では結晶構造にカゴメネットワークを持ちながら、金属的な伝導を示す磁性体に見られる特異な量子現象を磁場により制御し、磁場中磁気状態を明らかにすることを目指した実験を行ってきた。研究初年度では低磁場における核磁気共鳴分光実験により研究対象とするカゴメ遍歴磁性体では非常に低い温度まで磁気秩序が見られないことを明らかにした。研究計画2年目となる本年度は、さらに高い磁場中でのミクロな磁気状態を明らかにするため、試料の質を改善した後、引き続き核磁気共鳴分光実験を行った。特に、カゴメ金属ではフラットバンド・ディラック分散、ファンホーブ点という特徴的なバンド構造を持つことに着目し、複数の原子核サイトを測定対象とすることで、低エネルギー励起の波数依存性に関する情報を引き出した。これまでの単結晶試料では、核磁気共鳴スペクトルの分解能が低かったため、サイトごとの選択的計測が困難であったが、試料の質が改善されたことにより、明確なサイト同定が可能となり、これにより各サイトでの核スピン－格子緩和測定を実現した。その結果、カゴメ金属特有の金属バンドに起因すると考えられる異常を観測し、さらにその磁場変化の観測に成功した。バンドに依存した以上は、電気抵抗率測定などのバルク測定からだけでは特定が困難であり、本研究による実験結果がその起源を解き明かす重要な鍵となる。今後は、さらに高い磁場中での磁気物性変化を追究すると共に、本研究で明らかとなった以上がバルク物性に与える影響を解明していく。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Technische Universitat Dresden/Helmhortz Zentrum Dresden Rossendorf(ドイツ)
• [Journal Article] Survival of magnetic correlations above the ordering temperature in the ferromagnetically ordered classical kagome magnet Li 9 Cr 3 ( P 2 O 7 ) 3 ( PO 4 ) 2 (2024)
  • Author(s): R. Kumar, A. Chakraborty, S. Fukuoka, F. Damay, E. Kermarrec, P. L. Paulose, and Y. Ihara
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 107 Issue: 13 Pages: 134432-134432
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.134432
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Field-induced magnetic structures in the chiral polar antiferromagnet Ni2InSbO6 (2023)
  • Author(s): Y. Ihara, R. Hiyoshi, M. Shimohashi, R. Kumar, T. Sasaki, M. Hirata, Y. Araki, Y. Tokunaga, T. Arima
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 2 Pages: 024417-024417
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.024417
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquid helium-cooled high-purity copper coil for generation of long pulsed magnetic fields (2023)
  • Author(s): Yoshimitsu Kohama,Yoshihiko Ihara,Zhuo Yang,Kazuki Matsui,Koichi Kindo
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Issue: 7 Pages: 074701-074701
  • DOI: 10.1063/5.0147438
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] フラットトップ磁場を用いたパルス磁場中NMR測定 (2023)
  • Author(s): 井原慶彦, 小濱芳允
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 58 Pages: 89-98
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconductivity and Charge Ordering in BEDT-TTF Based Organic Conductors with β″-Type Molecular Arrangement (2022)
  • Author(s): Ihara Yoshihiko、Imajo Shusaku
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 5 Pages: 711-711
  • DOI: 10.3390/cryst12050711
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Negative-chirality order in the S=1/2 kagome antiferromagnet CdCu3(OH)6(NO3)2・H2O (2022)
  • Author(s): Ihara Yoshihiko、Hiyoshi Ryoga、Shimohashi Masakazu、Hayashi Kaoru、Okuma Ryutaro、Orlandi Fabio、Manuel Pascal、Nilsen Goran J.、Hiroi Zenji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.024401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time-resolved measurements in pulsed magnetic fields (2022)
  • Author(s): Kohama Yoshimitsu、Nomura Toshihiro、Zherlitsyn Sergei、Ihara Yoshihiko
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 132 Issue: 7 Pages: 070903-070903
  • DOI: 10.1063/5.0093985
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 27Al, 55Mn-NMR study for itinerant kagome antiferromagnet Sc3Mn3Al7Si5 (2023)
  • Author(s): Ramender Sharma Kumar, Issei Niwata, Ryoga Hiyoshi, Yoshihiko Ihara
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystal 2023 (QLC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microscopic coexistence between superconductivity and antiferromagnetism in excess oxygen La2CuO4+d (2023)
  • Author(s): Yoshihiko Ihara, Ramender Sharma Kumar, Kota Miyakoshi, Migaku Oda, Kenji Ishida
  • Organizer: Workshop on Magnetic Resonance of Correlated Electron Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NMR investigation of functional materials - A microscopic probe to disclose secret functionalitites- (2023)
  • Author(s): Yoshihiko Ihara
  • Organizer: Chemistry and Forensics seminar programme
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 強磁場による均質な磁気異方性制御がもたらす磁場誘起磁気転移 (2023)
  • Author(s): 井原慶彦、日吉竜冴、Ramender Sharma Kumar, 平田倫啓、佐々木孝彦、荒木勇介、徳永祐介、有馬孝尚
  • Organizer: 強磁場科学研究会
• [Presentation] q-resolved NMR study for itinerant kagome antiferromagnet Sc3Mn3Al7Si5 (2023)
  • Author(s): 井原慶彦、Ramender Sharma Kumar
  • Organizer: 令和5年度新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Microscopic coexistence of superconductivity and antiferromagnetism in excess-oxygen La2CuO4+y (2022)
  • Author(s): Y. Ihara, R Kumar, K. Ishida, Y. Kinugawa, and M. Oda
  • Organizer: International workshop on Microscopic properties of quantum materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 115In-NMR study for field-induced magnetic structure in chiral polar magnet Ni2InSbO6 (2022)
  • Author(s): Y. Ihara, R. Hiyoshi, M. Shimohashi, M. Hirata, T. Sasaki, Y. Araki, Y. Tokunaga, and T. Arima
  • Organizer: 29th International conference on low temperature physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 定常強磁場NMR測定によるNi2InSbO6の磁場誘起磁気状態の研究 (2022)
  • Author(s): 井原慶彦、日吉竜冴、下橋正和、平田倫啓、佐々木孝彦、荒木勇介、徳永祐介、有馬孝尚
  • Organizer: 強磁場科学研究会
• [Presentation] 45Sc, 55Mn, 26Al-NMR測定によるカゴメ遍歴磁性体Sc3Mn3Al5Si7の磁気基底状態の研究 (2022)
  • Author(s): 井原慶彦、Ramender Sharma Kumar, 坂爪壱星、日吉竜冴、下橋正和
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 35Cl-NMR測定による歪んだS=1/2カゴメ反強磁性体CdCu3(OH)6Cl2における低磁場磁気状態の研究 (2022)
  • Author(s): 井原慶彦, 日吉竜冴, 下橋正和, 加藤萌結, 吉田紘行
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会