Investigation of the spin nematic state via magnetization and magnetostriction measurements in strong pulsed magnetic field

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04467
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石川 孟 東京大学, 物性研究所, 助教 (70843192)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: スピン液晶 / パルス強磁場 / 単結晶育成 / 磁化測定 / 磁歪測定 / 量子スピン液晶 / 量子スピン液体 / 歪み測定 / 新物質開発 / 量子磁性体 / スピンネマティック / 結晶育成

Outline of Research at the Start

物質の状態が気体、液体、固体と変化するように、磁性体の中の電子スピンの状態も、温度変化や磁場印加によって様々に変化する。量子磁性体に強い磁場を与えると、スピンネマティックとよばれる電子スピンの量子液晶状態が現れると理論的に予測されている。本研究では、候補物質の磁化と磁場により引き起こされる歪みを精密に測定することによって、スピンネマティックに特有な磁気応答を検出することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本申請では電子スピンの量子液晶状態であるスピンネマティックを研究対象とし、候補物質の単結晶試料の合成、パルス強磁場中の磁化測定、および、磁歪測定を組み合わせてその特徴を捉えることを目的とした。
30テスラ近傍の磁場領域でスピンネマティック状態を示す候補物質である二次元磁性体ボルボサイトCu3V2O7(OH)2・2H2Oの単結晶の育成に取り組んだ。磁化の異方性、磁歪の結晶軸方向依存性の測定に適した大型の単結晶を得ることに成功した。
パルス強磁場中での磁化測定の結果、磁性層に垂直な方向に磁場を印加した場合、磁化プラトーを示す30テスラの直前の磁場領域で、磁化が非線形な振る舞いを示すことを観測した。さらに、さまざまな形状の単結晶を用いて磁歪の測定を行い、磁化と磁歪の対応関係を明らかにした。一般的な磁性体では磁歪は磁化に対して、ある冪に従って変化することが報告されているが、30テスラ近傍では低磁場の冪の振る舞いから外れる変化を観測した。これは、強磁場中で低磁場とは異なるスピン相関が発達しているためであると考えられ、直接的な観測が困難であるスピンネマティック状態の解明にとって重要な実験結果が得られたといえる。
さらに、ハニカム格子に関連した特異な幾何学格子を持つ有機無機ハイブリッド磁性体の単結晶を育成し、パルス強磁場を用いて磁化飽和にいたる磁場領域までの磁性を調べた。特に、三次元ハニカム格子を有する物質においては、常磁性状態と磁気秩序状態の中間の温度領域に存在する新たな磁気相を発見した。この相は、スピン相関が発達しているが長距離秩序が存在しないという点でスピンネマティック状態との類似性がみられ、今後の研究に資する新物質を提示することができた。

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] IFW Dresden(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Loughborough University(英国)
• [Int'l Joint Research] IFW Dresden(ドイツ)
• [Journal Article] Jeff = 1/2 Hyperoctagon Lattice in Cobalt Oxalate Metal-Organic Framework (2024)
  • Author(s): Ishikawa Hajime、Imajo Shusaku、Takeda Hikaru、Kakegawa Masafumi、Yamashita Minoru、Yamaura Jun-ichi、Kindo Koichi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 132 Issue: 15 Pages: 156702-156702
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.156702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Breathing pyrochlore magnet CuGaCr4S8: Magnetic, thermodynamic, and dielectric properties (2023)
  • Author(s): M. Gen, H. Ishikawa, A. Miyake, T. Yajima, H. O. Jeschke, H. Sagayama, A. Ikeda, Y. H. Matsuda, K. Kindo, M. Tokunaga, Y. Kohama, T. Kurumaji, Y. Tokunaga, T. Arima
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 10 Pages: 104404-104404
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.104404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Electronic Properties of a Triangular Lattice Magnet NaPrTe2 Compared with NaNdTe2 and NaTbTe2 (2023)
  • Author(s): K. Eto, Y. Okamoto, N. Katayama, H. Ishikawa, K. Kindo, and K. Takenaka
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 92 Issue: 9 Pages: 094707-094707
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.094707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Signatures of a magnetic superstructure phase induced by ultrahigh magnetic fields in a breathing pyrochlore antiferromagnet (2023)
  • Author(s): Gen Masaki, Ikeda Akihiko, Aoyama Kazushi, Jeschke Harald O., Ishii Yuto, Ishikawa Hajime, Yajima Takeshi, Okamoto Yoshihiko, Zhou Xuguang, Nakamura Daisuke, Takeyama Shojiro, Kindo Koichi, Matsuda Yasuhiro H., Kohama Yoshimitsu
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 33
  • DOI: 10.1073/pnas.2302756120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic field induced valence change in Eu(Co1-xNix)2P2 up to 60 T (2023)
  • Author(s): Nakamura Raito、Ishita Azumi、Nakamura Jin、Ohta Hiroto、Haraguchi Yuya、Katori Hiroko Aruga、Ishikawa Hajime、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Nohara Minoru、Ikeda Akihiko
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 23 Pages: 235110-235110
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.235110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Superconductivity at 12 K in La2IOs2: A 5d metal with osmium honeycomb layer (2023)
  • Author(s): Hajime Ishikawa, Takeshi Yajima, Daisuke Nishio-Hamane, Shusaku Imajo, Koichi Kindo, Mitsuaki Kawamura
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 5 Pages: 054804-054804
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.054804
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SmI3: 4f5 honeycomb magnet with spin-orbital entangled Γ7 Kramers doublet (2022)
  • Author(s): H. Ishikawa, R. Kurihara, T. Yajima, D. Nishio-Hamane, Y. Shimizu, T. Sakakibara, A. Matsuo, K. Kindo
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 6 Pages: 0644051-5
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.064405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complex magnetic phase diagram with a small phase pocket in a three-dimensional frustrated magnet CuInCr4S8 (2022)
  • Author(s): Gen M.、Ishikawa H.、Ikeda A.、Miyake A.、Yang Z.、Okamoto Y.、Mori M.、Takenaka K.、Sagayama H.、Kurumaji T.、Tokunaga Y.、Arima T.、Tokunaga M.、Kindo K.、Matsuda Y. H.、Kohama Y.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 3 Pages: 0331481-13
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033148
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Search for the honeycomb quantum spin liquid materials without Ir, Ru, and Co (2023)
  • Author(s): Hajime Ishikawa
  • Organizer: Quantum Magnetism and Topology 2023 (QMT 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High magnetic field investigations of quantum spin liquid candidates based on the Cu-spin trimer (2023)
  • Author(s): Hajime Ishikawa
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子磁性体の配位子場制御による新奇相開拓 (2023)
  • Author(s): 石川孟
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] SmI3 as an antiferromagnetic Kitaev material (2022)
  • Author(s): Hajime Ishikawa
  • Organizer: International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 4f電子ハニカム系三ヨウ化サマリウムの磁性 (2022)
  • Author(s): 石川孟, 栗原綾佑, 矢島健, 浜根大輔, 清水悠晴, 榊原俊郎, 松尾晶, 金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 量子スピン液体候補物質としての三ヨウ化サマリウムの結晶育成と磁気的性質 (2022)
  • Author(s): 石川孟
  • Organizer: 第25回ヨウ素学会シンポジウム
• [Presentation] Observation of Entire Magnetization Process of Star Lattice Quantum Spin Liquid Candidate in Pulsed High Magnetic Field (2022)
  • Author(s): 石川孟
  • Organizer: 強磁場科学研究会/東北大学金属材料研究所国際ワークショップ
• [Presentation] Observation of Entire Magnetization Process of Star Lattice Quantum Spin Liquid Candidate in Pulsed High Magnetic Field (2022)
  • Author(s): Hajime Ishikawa
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2022
  • Int'l Joint Research