極低温磁気トルク測定による量子スピン液体状態の磁気励起の研究

• Project Area: New Frontier in Materials Science Opened by Molecular Degrees of Freedom
• Project/Area Number: 23110716
• 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 Institute of Physical and Chemical Research (2012); Kyoto University (2011)
• Principal Investigator: 山下 穣 独立行政法人理化学研究所, 加藤分子物性研究室, 研究員 (10464207)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2012: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2011: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 磁性 / 低温物性 / 幾何学的フラストレーション

Outline of Annual Research Achievements

幾何学的フラストレーションのある分子性物質におけるスピン液体相の詳細を明らかにするためにその磁気励起を磁気トルク測定によって調べた。前年度に重水素化した試料と重水素化していない試料との両方でギャップレスの磁気励起が存在する事を見出した。幾何学的フラストレーションの度合いが違うこの二つの試料で相互作用のエネルギーの一万分の一の温度までギャップレスの磁気励起が安定に存在するという実験結果は、量子臨界的な状態が相として安定に存在する事を示しており、ここから量子スピン液体における素励起がフェルミ粒子的な性質を持っている事が示唆される事がわかったので、本年度これらの結果をまとめてNature communications誌に発表した。
本年度はさらに、試料のカチオン基に大きさの異なるカチオンを混ぜる事で幾何学的フラストレーションの大きさを直接制御した試料に対して測定を行い、より広範囲な幾何学的フラストレーションの変化による素励起への影響を調べた。小さいカチオン基を混ぜる事で量子スピン液体相から磁気秩序相へとフラストレーションの度合いを小さくした試料の磁気トルクを極低温まで測定したところ、混晶塩で無い試料とほぼ同様の磁化過程を示す事がわかった。これはギャップレスの磁気励起を持つ量子臨界相が幾何学的フラストレーションの度合いの変化に対して安定に存在する事を示している。
一方、低磁場領域において不純物の影響を示唆する磁化過程が観測された。カチオン混晶試料の熱伝導率測定においても熱を運ぶ素励起の平均自由行程がカチオンを混ぜていない試料と比べて非常に小さくなっている事が観測され、混晶試料における不純物の影響がある事がわかった。今後、混ぜるカチオンの組み合わせの違いや不純物による量子スピン液体相への影響を調べる事で量子スピン液体という未知の凝縮相に関する新しい知見が得られる事が期待できる。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Anomalous superfluid density in quantum critical superconductors (2013)
  • Author(s): K. Hashimoto, Y. Mizukami, et al.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 110 Issue: 9 Pages: 3293-3297
  • DOI: 10.1073/pnas.1221976110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel Pauli-paramagnetic quantum phase in a Mott insulator (2012)
  • Author(s): D. Watanabe, et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 3 Issue: 1 Pages: 10901-6
  • DOI: 10.1038/ncomms2082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous upper critical field in CeCoIn5/YbCoIn5 superlattices with a Rashba-type heavy fermion interface (2012)
  • Author(s): S. K. Goh, et al.
  • Journal Title: Physical Review Letter Volume: 109 Issue: 15 Pages: 157006-15
  • DOI: 10.1103/physrevlett.109.157006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal-Transport Studies on Two-Dimensional Quantum Spin Liquids (2012)
  • Author(s): M.Yamashita, T.Shibauchi, Y.Matsuda
  • Journal Title: Chem.Phys.Chem. Volume: 13 Issue: 1 Pages: 74-78
  • DOI: 10.1002/cphc.201100556
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nodal versus Nodeless Behaviors of the Order Parameters of LiFeP and LiFeAs Superconductors from Magnetic Penetrat ion-Depth Measurements (2012)
  • Author(s): K.Hashimoto, et al
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 108 Issue: 4 Pages: 47003-47007
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.047003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extremely strong-coupling superconductivity in artificial two-dimensional Kondo lattices (2011)
  • Author(s): Yuta Mizukami, et al
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 7 Issue: 11 Pages: 849-853
  • DOI: 10.1038/nphys2112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nodal Gap Structure of Superconducting BaFe2(Asl-xPx)2 from Angle-Resolved Thermal Conductivity in a Magnetic Field (2011)
  • Author(s): M.Yamashita, et al
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 84 Issue: 6 Pages: 60507-60510
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.060507
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 二次元量子スピン液体の熱輸送現象 (2011)
  • Author(s): 山下穣
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 66 Pages: 928-932
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pd(dmit)2カチオン混晶塩における熱伝導率、磁気トルク測定 (2013)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: 日本物理学会 第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学（東広島）
  • Year and Date: 2013-03-28
• [Presentation] Frustration dependence of elementary excitation in a quantum spin liquid (2013)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: APS March meeting 2013
  • Place of Presentation: ボルチモアコンベンションセンター（アメリカ）
  • Year and Date: 2013-03-19
• [Presentation] Novel Pauli-paramagnetic quantum phase in a Mott insulator (2013)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: 新学術領域研究 第７回領域会議
  • Place of Presentation: 東京大学小柴ホール（東京都）
  • Year and Date: 2013-03-02
• [Presentation] Novel Pauli-Paramagnetic Quantum Phase in a Mott Insulator (2012)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: International Symposium on Material Science Opened by Molecular Degree of Freedom
  • Place of Presentation: シーガイアフェニックスホテル（宮崎県）
  • Year and Date: 2012-12-03
• [Presentation] 分子性物質における量子スピン液体の素励起の研究 (2012)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: 物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)
  • Place of Presentation: 東京大学武田先端知ビル（東京都）
  • Year and Date: 2012-11-28
  • Invited
• [Presentation] Novel Pauli-paramagnetic quantum phase in a Mott insulator (2012)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: 強磁場センター研究会 「強磁場コラボラトリーが拓く次世代の強磁場サイエンスの展望」
  • Place of Presentation: 金属材料研究所（宮城県）
  • Year and Date: 2012-11-26
  • Invited
• [Presentation] Thermal-Transport Studies of Quantum Spin Liquids in Organic Triangular Antiferromagnets (2012)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: Exotic Phases of Frustrated Magnets
  • Place of Presentation: サンタバーバラ（アメリカ）
  • Year and Date: 2012-10-08
  • Invited
• [Presentation] Novel Pauli-Paramagnetic Quantum Phase in a Mott Insulator (2012)
  • Author(s): 山下 穣
  • Organizer: International School Symposium on Molecular Materials Devices
  • Place of Presentation: ダーラム大学（イギリス）
  • Year and Date: 2012-09-24
• [Presentation] EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2における代数的量子スピン液体の実現 (2012)
  • Author(s): 渡邊大樹
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] (Bal-xKx)Fe2 As2純良単結晶における熱伝導率測定 (2012)
  • Author(s): 山下卓也
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] Study of Quantum Spin Liquid in Two-dimensional Antiferromagnets (2012)
  • Author(s): 山下穣
  • Organizer: Aspen Winter Conference on Condensed Matter Physics, Novel Paradigms for Low-Dimensional Electronic Materials
  • Place of Presentation: Aspen CO, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2012-02-09
• [Presentation] 量子スピン液体物質EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2の極低温磁化率測定 (2011)
  • Author(s): 渡邊大樹
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2011-09-22
• [Presentation] Thermal-transport studies of Quantum Spin Liquids (2011)
  • Author(s): 山下穣
  • Organizer: Search for topological phase of matter
  • Place of Presentation: Princeton NJ, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2011-04-21