Study of the quantum spin liquid state of S = 1/2 kagome lattice antiferromagnet

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K17686
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 助教 (30566758)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: カゴメ格子反強磁性体 / フラストレーション / スピン液体

Outline of Annual Research Achievements

CaカペラサイトCaCu3(OH)6Cl2・0.6H2Oは歪み、乱れのないS = 1/2カゴメ格子反強磁性体のモデル物質であり、磁気フラストレーションと量子揺らぎに起因したスピン系の新奇磁気状態の探索と性質の解明を目的として研究を行った。H27年度までの研究で最大6 mm程度の単結晶の育成に成功しており、H28年度はそれを用いた物性測定を行った。
磁化、比熱測定の結果、CaカペラサイトはT* = 7 Kに磁気異常が生じることが明らかとなった。この温度で、ab面に平行に磁場を印可した磁化率は低磁場でカスプを示し、3 T以上の高磁場では磁化は弱い磁化を有し飽和した。一方で、比熱にはT*に小さいピークが観測されており、7 Kで磁気転移を示す。また、本物質は絶縁体であるが、T*以下に比熱の温度比例項が存在する事を見出した。この事はCaカペラサイトの磁気状態が通常の磁気秩序とは異なり、特異な磁気励起を有する事を示している。大阪大学先端強磁場科学研究センターで行った70 Tまでのパルス強磁場磁化測定からはメタ磁性やS = 1/2カゴメ格子反強磁性体で予想されている磁化プラトーは観測されなかった。
Caカペラサイトはカゴメ格子上で競合する磁気相互作用J1、J2、Jdを有しており、古典モデルで計算されたJ1-J2-Jd磁気相図においてq = 0、√3×√3構造、Cuboc2構造の相境界近傍に位置している。この事は量子臨界点近傍でCaカペラサイトの特異な磁気状態が実現した事を示している。
本課題は当初予定した計画よりも大きく進展し、理想的な量子カゴメ格子反強磁性体においてスピン液体的な磁気励起を有する特異な磁気状態を実験的に観測することに成功した。本成果はJournal of the Physical Society of Japan誌に論文として掲載されている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Oak Ridge National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Oak Ridge National Laboratory
• [Int'l Joint Research] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Rutherford Appleton Laboratory
• [Int'l Joint Research] ANSTO(Australia)
  • Country Name: Australia
  • Counterpart Institution: ANSTO
• [Journal Article] Unusual Magnetic State with Dual Magnetic Excitations in the Single Crystal of S = 1/2 Kagome Lattice Antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2017)
  • Author(s): H. Yoshida, N. Noguchi, Y. Matsushita, Y. Ishii, Y. Ihara, M. Oda, H. Okabe, S. Yamashita, Y. Nakazawa, A. Takata, T. Kida, Y. Narumi, and M. Hagiwara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Pages: 033704-1~5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.86.033704
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] S = 1/2カゴメ格子反強磁性体CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2Oの35Cl-NMRによる研究 (2017)
  • Author(s): 吉田紘行, 井原慶彦, 野口直彌, 石井裕人, 高田篤, 木田孝則, 鳴海康雄, 萩原政幸, 河本充司, 佐々木孝彦, 小田研
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府・豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 量子スピン液体CaCu3(OD)6Cl20.6D2Oにおける磁気励起 (2017)
  • Author(s): 飯田一樹, 吉田紘行, David J. Voneshen, 野口直彌, 石井裕人, 小田研, 中島健次
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府・豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] S = 1/2カゴメ格子反強磁性体CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O単結晶の磁性 (2016)
  • Author(s): 吉田紘行, 野口直彌, 石井裕人, 片岡萌子, 小田研, 岡部博孝, 飯田一樹, 山下智史, 中澤康浩, 高田篤, 木田孝則, 鳴海康雄, 萩原政幸
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川県・金沢市)
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Magnetic properties of S = 1/2 kagome lattice antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2016)
  • Author(s): H. Yoshida, N. Noguchi, Y. Ishii, M. Oda, H. Okabe, S. Yamashita, Y. Nakazawa, A. Takata, T, Kida, Y. Narumi, M. Hagiwara
  • Organizer: International conference on Highly Frustrated Magnetism 2016
  • Place of Presentation: Taipei(Taiwan)
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-11
  • Int'l Joint Research
• [Remarks]
  • URL: https://phys.sci.hokudai.ac.jp/~yoshida/