Observation of elementary excitations in quantum spin ice

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13521
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 常盤 欣文 京都大学, 低温物質科学研究センター, 特定研究員 (30737458)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 磁気素励起 / フラストレーション / スピンアイス / 熱伝導

Outline of Annual Research Achievements

パイロクロア構造を持つ幾つかの希土類酸化物は、スピンアイスと呼ばれる特異な性質を持つため現在盛んに研究が行われている。特に磁気モーメントが小さく量子揺らぎの強いYb2Ti2O7やPr2Zr2O7といった、量子スピンアイスと呼ばれる系の性質は良く理解されていない。理論的には、フォトンと呼ばれる特異な素励起を伴う量子スピン液体が基底状態と考えられている。このことから、実験的に上記の物質における素励起の性質を調べることが量子スピンアイス系の理解に貢献すると考えられる。
平成27年度に、量子スピンアイスPr2Zr2O7での熱伝導の0.2K以下の低温での異常増大を観測した。この非常に低い温度スケールは、フォノン、磁気モノポールといった他の素励起のエネルギースケールよりもずいぶん小さいため、量子スピンアイスの最も低エネルギーの素励起である、フォトンのものである可能性がある。
最終年度の平成28年は、この異常の起源を調べるため、詳細な熱伝導測定を引き続き行った。異なるサンプルで熱伝導を測定したところ、同様の熱伝導の異常増大が見られた。また、磁場依存性は異なる温度領域で、全く違う振る舞いを示す。特に上記の熱伝導の異常増大が観測された低温では、異常な熱伝導の寄与が[111]方向の磁場によって抑えられることを観測した。理論的にはこの方向での磁場がスピンアイス相関が抑制されることが予想されるため、磁場依存性がフォトンの熱伝導という解釈と矛盾がないことが分かった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute CPFS/University of Augsburg/University of Goettingen(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute CPFS/University of Augsburg/University of Goettingen
• [Int'l Joint Research] Los Alamos Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Los Alamos Laboratory
• [Int'l Joint Research] University of Bristol/University College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Bristol/University College London
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Ecole Polytechnique
• [Journal Article] Conventional s-Wave Superconductivity in BiS2-Based NdO0.71F0.29BiS2 Revealed by Thermal Transport Measurements (2016)
  • Author(s): T. Yamashita, Y. Tokiwa, D. Terazawa, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, T. Terashima, Y. Matsuda
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 85 Pages: 073707
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.073707
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tuning of magnetic quantum criticality in artificial Kondo superlattice CeRhIn5/YbRhIn5 (2016)
  • Author(s): T. Ishii, R. Toda, Y. Hanaoka, Y. Tokiwa, M. Shimozawa, Y. Kasahara, R. Endo, T. Terashima, A. H. Nevidomskyy, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 116 Pages: 206401
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.206401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple Metamagnetic Quantum Criticality in Sr3Ru2O7 (2016)
  • Author(s): Y. Tokiwa, M. Mchalwat, R. S. Perry, and P. Gegenwart
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 116 Pages: 226402
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.226402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Super-heavy electron material as metallic refrigerant for adiabatic demagnetization cooling (2016)
  • Author(s): Y. Tokiwa, B. Piening, H. S. Jeevan, S. L. Bud’ko, P. C. Canfield P. Gegenwart
  • Journal Title: Science Advances Volume: 2 Pages: e1600835
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600835
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超重い電子金属を用いた断熱消磁冷却 (2017)
  • Author(s): 常盤欣文, B. Piening, H.S. Jeevan, S.L. Bud'ko, P.C. Canfield, P. Gegenwart
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-20 – 2017-03-20
• [Presentation] 重い電子系CeCu2Si2におけるs波超伝導 (2017)
  • Author(s): 常盤欣文
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-18 – 2017-03-18
  • Invited
• [Presentation] 鉄系超伝導体Fe(Se,S)単結晶の比熱測定 (2017)
  • Author(s): 谷口智哉, 綿重達哉, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-18 – 2017-03-18
• [Presentation] 重い電子系超伝導体CeCu2Si2の低温高磁場領域におけるNMR (2017)
  • Author(s): 北川俊作, 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel, F. Steglich
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-18 – 2017-03-18
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における熱Hall効果測定 (2017)
  • Author(s): 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 山下穣, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] CeCoIn5/CeRhIn5ハイブリッド超格子の圧力下における超強結合状態 (2017)
  • Author(s): 成塚政裕, Priscila F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronning, Joe D. Thompson, 石井智大, 三宅聡平, 下澤雅明, 芝内孝禎, 常盤欣文, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] 59Co-NMRによる人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5とCeCoIn5/YbCoIn5の比較 (2017)
  • Author(s): 仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 宍戸寛明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 水上雄太, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] Maximizing superconducting coupling strength in heavy-fermion hybrid superlattices of CeCoIn5/CeRhIn5 (2017)
  • Author(s): Masahiro Naritsuka, Tomohiro Ishii, Souhei Miyake, Yuichi Kasahara, Takahito Terashima, Yuji Matsuda, Yoshifumi Tokiwa, Masaaki Shimozawa, Takasada Shibauchi, P. F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronnin, Joe D. Thompson
  • Organizer: アメリカ物理学会（国際学会）
  • Place of Presentation: アメリカ、ニューオーリンズ
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-14
• [Presentation] Emergent superconductivity in tricolor Kondo superlattices (2017)
  • Author(s): Yuichi Kasahara, Y. Naritsuka, T. Ishii, S. Miyake, T. Terashima, Y. Matsuda, Y. Tokiwa, M. Shimozaw, T. Shibauchi
  • Organizer: アメリカ物理学会（国際学会）
  • Place of Presentation: アメリカ、ニューオーリンズ
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-13
• [Presentation] Effect of controlled point like disorder on low-energy quasiparticle excitations in CeCu2Si2 (2017)
  • Author(s): Takaaki Takenaka, Yuta Mizukami, Marcin Konczykowski, Silvia Seiro, Hirale S Jeevan, Christoph Geibel, Joe A Wilcox, Carsten Putzke, Antony Carrington, Yoshifumi Tokiwa, Yuji Matsuda, Takasada Shibauchi
  • Organizer: アメリカ物理学会（国際学会）
  • Place of Presentation: アメリカ、ニューオーリンズ
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-13
• [Presentation] Thermal conductivity of exotic elementary excitations in quantum spin ice (2017)
  • Author(s): Yoshifumi Tokiwa
  • Organizer: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2017-02-20 – 2017-02-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 重い電子系超伝導化合物CeCoIn5と反強磁性化合物CeRhIn5の人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5のNMR (2016)
  • Author(s): 仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-15 – 2016-09-15
• [Presentation] Sr3Ru2O7における多重量子臨界現象 (2016)
  • Author(s): 常盤欣文, M. Machalwat, R.S. Perry, P. Gegenwart
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] 熱伝導率測定から見た量子スピン液体Pr2Zr2O7中のフォトン励起の研究 (2016)
  • Author(s): 寺澤大樹, 大西隆史, 山下卓也, 常盤欣文, 宇田川将文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] CeCoIn5トリコロール超格子によるPauli対破壊効果の人工制御 (2016)
  • Author(s): 三宅聡平, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 石田憲二, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] CeRhIn5/CeCoIn5ハイブリッド超格子における圧力下強結合超伝導状態の実現 (2016)
  • Author(s): 成塚政裕, 石井智大, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NMR (2016)
  • Author(s): 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] 熱伝導率測定および対破壊効果からみた重い電子系超伝導体CeCu2Si2の超伝導ギャップ構造 (2016)
  • Author(s): 大西隆史, 寺澤大樹, 山下卓也, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H.S.Jeevan, C.Geibel, M. Konczykowski, 芳賀芳範, 水上雄太, 芝内孝禎E, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] 不純物効果から見た重い電子系超伝導体CeCu2Si2のギャップ構造 (2016)
  • Author(s): 弘中恭平, 竹中崇了, 水上雄太, J. Wilcox, C. Putzke, A. Carrington, S. Seiro, H. S. Jeevan, C. Geibel, M. Konczykowski, 常盤欣文, 松田祐司, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe単結晶の強磁場下での熱ホール効果 (2016)
  • Author(s): 綿重達哉, Stevan Arsenijevic, 笠原成, 山下卓也, 寺澤大樹, 大西隆史, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, Joachim Wosnitza, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [Presentation] 熱伝導測定による量子スピンアイスの新奇素励起の観測 (2016)
  • Author(s): 常盤欣文
  • Organizer: 研究会「スピン液体研究の新展開」
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2016-07-15 – 2016-07-15
  • Invited