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2016 Fiscal Year Annual Research Report

スピンの分数化による量子スピン液体の開拓

Research Project

Project/Area Number 16H02206
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

求 幸年  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40323274)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 紙屋 佳知  国立研究開発法人理化学研究所, 主任研究員研究室等, 基礎科学特別研究員 (20732382)
那須 譲治  東京工業大学, 理学院, 助教 (40610639)
加藤 康之  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50708534)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords磁性 / 強相関電子系 / 物性理論 / 計算物理 / トポロジー
Outline of Annual Research Achievements

研究計画に沿って研究を推進し、以下の研究成果を得た。(1) 計算機環境の構築:本研究計画をスムーズに遂行するために、新しい計算機システムを導入し、代表者と分担者で共有して使用できる計算機環境を構築した。(2) 計算プログラムの開発・整備:これまで用いてきた量子モンテカルロ法において、律速であった厳密対角化の部分にグリーン関数法と多項式展開法を導入した新しいモンテカルロ法を開発した。(3) 3次元ハイパーオクタゴン格子上のキタエフ模型の計算:(2)で開発した新しい手法を3次元ハイパーオクタゴン格子上のキタエフ模型に適用して、量子スピン液体と常磁性状態の間に有限温度相転移が生じることを明らかにした。また、この相転移が先行研究で見出されていた3次元ハイパーハニカム格子モデルにおけるものと同様の機構によることを示した。さらに、両者の場合に相転移温度を比較することで、基底状態におけるフラックスギャップとの相関を明らかにした。(4) 3次元ハイパーハニカム格子上のキタエフ模型におけるスピンダイナミクス:クラスター動的平均場法あるいは量子モンテカルロ法と連続時間量子モンテカルロ法を組みわせた計算により、3次元キタエフ模型のスピンダイナミクスの温度変化を初めて明らかにした。(5) キタエフ-イジング模型における"液-液"転移:キタエフ模型にイジング相互作用を導入したモデルに対して、マヨラナフェルミオン平均場近似・厳密対角化・有効模型解析を相補的に組み合わせた研究を行い、キタエフ量子スピン液体とネマチック的な量子無秩序状態との間に1次相転移が生じることを見出した。さらに、有限温度において1次転移線は臨界点で終端し、2つの液体状態が、スピンが分数化した常磁性領域を通じて連続的につながっていることも示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初計画していた研究内容について着実に成果が得られている(上記「研究実績の概要の(1)-(4))にとどまらず、新しい拡張キタエフ模型に対して、いくつかの異なる計算手法を相補的に組み合わせた計算を行い、量子スピン系における"液-液"転移とも呼べる相転移の性質を初めて詳細に明らかに認め(「研究実績の概要の(5))。また、これらの研究成果に関して、学術論文を発表するだけでなく、国内外の学会や国際会議等において精力的な成果発表を行い、そこでの参加者との積極的な議論を通じて、さらに新しい研究展開にもつながっているため。特に、「固体物理」において誌上セミナー「量子スピン液体研究の最前線」という連載記事の執筆も開始したため(第1回は2017年4月号に掲載)。また、本研究課題専用のWebページを開設し、研究内容や研究成果を周知しているため。さらに、計画にはなかったこととして、2016年7月14日, 15日に、国内の研究者を集めて「第一回 量子スピン液体研究の新展開」と題した研究会を行い、活発な議論を行うことで、実験・理論の緊密なネットワーク形成と新しい課題の発掘を行ったため。

Strategy for Future Research Activity

これまでの順調な研究の進捗を踏まえて、予定通り平成29年度の研究計画を遂行する。その一部は前倒して得ることができているため、さらに積極的な研究を先取りして遂行する。また、学会や国際会議等の参加者との議論を通じてさらに新しい問題も着想しているため、それらについても発展・進化を図る。

  • Research Products

    (35 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 11 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] キャベンディッシュ研究所(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      キャベンディッシュ研究所
  • [Int'l Joint Research] クルチャコフ研究所(ロシア連邦)

    • Country Name
      RUSSIA FEDERATION
    • Counterpart Institution
      クルチャコフ研究所
  • [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      マックスプランク研究所
  • [Journal Article] Spin-Liquid-Spin-Liquid Transition in Kitaev Magnets Driven by Fractionalization2017

    • Author(s)
      Joji Nasu, Yasuyuki Kato, Junki Yoshitake, Yoshitomo Kamiya, and Yukitoshi Motome
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 118 Pages: 137203/1-6

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.137203

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Fractional Spin Fluctuations as a Precursor of Quantum Spin Liquids: Majorana Dyn2016

    • Author(s)
      Junki Yoshitake, Joji Nasu, and Yukitoshi Motome
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 117 Pages: 157203/1-6

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.157203

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Fermionic response from fractionalization in an insulating two-dimensional magnet2016

    • Author(s)
      Joji Nasu, Johannes Knolle, Dmitry L. Kovrizhin, Yukitoshi Motome, and Roderich Mo
    • Journal Title

      Nature Physics

      Volume: 12 Pages: 912-915

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/nphys3809

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 量子スピン液体の熱力学的性質とダイナミクスの理論的解明2017

    • Author(s)
      那須譲治
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪府、吹田市、大阪大学
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] ハイパーオクタゴン格子上のキタエフ模型が示す「気液」相転移の大規模数値計算2017

    • Author(s)
      ミシェンコピョートル, 加藤康之, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪府、吹田市、大阪大学
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] Kitaev型ハニカム格子反強磁性体α-RuCl3におけるNMR2017

    • Author(s)
      長井優弥, 清水康弘, 伊藤正行, 吉竹純基, 那須譲治, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪府、吹田市、大阪大学
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] キタエフ模型における磁場効果:NMR磁気緩和率と非線形磁化率2017

    • Author(s)
      吉竹純基, 那須譲治, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪府、吹田市、大阪大学
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] キタエフ模型における熱輸送現象2017

    • Author(s)
      那須譲治, 吉竹純基, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪府、吹田市、大阪大学
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] Liquid-Liquid Transition in Kitaev Magnets Driven by Spin Fractionalization2017

    • Author(s)
      J. Nasu, Y. Kato, J. Yoshitake, Y. Kamiya, and Y. Motome
    • Organizer
      American Physical Society March meeting 2017
    • Place of Presentation
      アメリカ、ニューオーリンズ
    • Year and Date
      2017-03-13 – 2017-03-17
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The realization of Majorana fermions in Kitaev Quantum Spin Lattice2017

    • Author(s)
      S.-H. Do, S.-Y. Park, J. Yoshitake, J. Nasu, Y. Motome, Y. S. Kwon, D. T. Adroja, D. T. Adroja, D. Voneshen, J.-H. Park, K.-Y. Choi, and S. Ji
    • Organizer
      American Physical Society March meeting 2017
    • Place of Presentation
      アメリカ、ニューオーリンズ
    • Year and Date
      2017-03-13 – 2017-03-17
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comprehensive study of the dynamics of a classical Kitaev Spin Liquid2017

    • Author(s)
      Anjana Samarakoon, Arnab Banerjee, Cristian Batista, Yoshitomo Kamiya, Alan Tennant, and Stephen Nagler
    • Organizer
      American Physical Society March meeting 2017
    • Place of Presentation
      アメリカ、ニューオーリンズ
    • Year and Date
      2017-03-13 – 2017-03-17
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Thermal transport in the Kitaev model2017

    • Author(s)
      J. Nasu, J. Yoshitake, and Y. Motome
    • Organizer
      Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems (TPFC2017)
    • Place of Presentation
      千葉県、柏市、東京大学物性研究所
    • Year and Date
      2017-02-20 – 2017-02-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evincing Majorana fermions in Kitaev magnets2017

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      APCTP-Quantum Materials Symposium 2017 in conjunction with 17th Korea-Taiwan-Japan Workshop on SCES & APW
    • Place of Presentation
      韓国、ヨンピョン
    • Year and Date
      2017-02-19 – 2017-02-21
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 分数スピンが引き起こす新しい相転移2016

    • Author(s)
      求幸年
    • Organizer
      第5回パイロクロア研究会
    • Place of Presentation
      岡山県、岡山市、岡山大学
    • Year and Date
      2016-12-26 – 2016-12-27
    • Invited
  • [Presentation] キタエフ模型における磁場下での熱ホール効果2016

    • Author(s)
      那須譲治, 吉竹純基, 求幸年
    • Organizer
      第2回TMS領域研究会(TMS2016)
    • Place of Presentation
      宮城県、仙台市、東北大学
    • Year and Date
      2016-12-16 – 2016-12-18
  • [Presentation] Finite-temperature dynamics of emergent Majorana fermions in quantum spin liquids2016

    • Author(s)
      J. Nasu, J. Knolle, D. L. Kovrizhin, Y. Motome, and R. Moessner
    • Organizer
      EPiQS-TMS Trans-Pacific Conference
    • Place of Presentation
      フランス領ポリネシア、モーリア
    • Year and Date
      2016-12-04 – 2016-12-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] スピンの自由度が分数化すると何が起きるのか2016

    • Author(s)
      求幸年
    • Organizer
      平成28年度 東北大学 電気通信研究所 共同プロジェクト研究会 「電荷とスピンの制御に基づく精密物性科学の構築とデバイス応用」
    • Place of Presentation
      宮城県、仙台市、茂庭荘
    • Year and Date
      2016-11-22 – 2016-11-23
    • Invited
  • [Presentation] Diagnostic of fractionalized Kitaev spin liquids2016

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      14th Bilateral Japanese-German Symposium
    • Place of Presentation
      北海道、札幌市、シャトレーゼ ガトーキングダム
    • Year and Date
      2016-09-26 – 2016-09-29
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] キタエフ模型の磁場下での熱ホール効果2016

    • Author(s)
      那須譲治, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      石川県、金沢市、金沢大学
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] キタエフ模型における分数化に由来したフェルミ励起:α-RuCl3におけるラマン散乱実験との比較2016

    • Author(s)
      那須譲治, J. Knolle, D. Kovrizhin, 求幸年, R. Moessner
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      石川県、金沢市、金沢大学
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Kitaev型ハニカム格子反強磁性体α-RuCl3における35Cl NMR2016

    • Author(s)
      長井優弥, 清水康弘, 伊藤正行, 吉竹純基, 那須譲治, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      石川県、金沢市、金沢大学
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Fermionic response from fractionalization in quantum spin liquids2016

    • Author(s)
      Joji Nasu
    • Organizer
      8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism (HFM 2016)
    • Place of Presentation
      台湾、台北
    • Year and Date
      2016-09-07 – 2016-09-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fractional Spin Fluctuation as a Precursor of Quantum Spin Liquids2016

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism (HFM 2016)
    • Place of Presentation
      台湾、台北
    • Year and Date
      2016-09-07 – 2016-09-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子スピン液体の有限温度ダイナミクスと分数励起2016

    • Author(s)
      那須譲治
    • Organizer
      平成28年度物性研究所短期研究会 パイ電子系物性科学の最前線
    • Place of Presentation
      千葉県、柏市、東京大学物性研究所
    • Year and Date
      2016-08-08 – 2016-08-10
    • Invited
  • [Presentation] Majoranization in Kitaev spin liquids2016

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      The 2nd Conference on Condensed Matter Physics (CCMP2016)
    • Place of Presentation
      中国、南京
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Magnetic three states of matter: a quantum Monte Carlo study of the extended toric codes in 2D and 3D2016

    • Author(s)
      Yoshitomo Kamiya
    • Organizer
      The 2nd Conference on Condensed Matter Physics (CCMP2016)
    • Place of Presentation
      中国、南京
    • Year and Date
      2016-07-20 – 2016-07-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] キタエフ模型の有限温度ダイナミクスと分数励起2016

    • Author(s)
      那須譲治
    • Organizer
      第一回 量子スピン液体研究の新展開
    • Place of Presentation
      東京都、文京区、東京大学
    • Year and Date
      2016-07-14 – 2016-07-15
    • Invited
  • [Presentation] 量子スピン液体相・常磁性相・磁気秩序相の有限温度「三態」相図2016

    • Author(s)
      紙屋佳知
    • Organizer
      第一回 量子スピン液体研究の新展開
    • Place of Presentation
      東京都、文京区、東京大学
    • Year and Date
      2016-07-14 – 2016-07-15
    • Invited
  • [Presentation] 量子スピン液体の現状と将来 ー Kitaevモデルを軸とした新展開2016

    • Author(s)
      求幸年
    • Organizer
      ワークショップ:物性物理・現状と将来
    • Place of Presentation
      秋田県、秋田市、秋田大学
    • Year and Date
      2016-06-23 – 2016-06-25
    • Invited
  • [Presentation] 量子スピン系に内在するマヨラナダイナミクスとそのトポロジー2016

    • Author(s)
      那須譲治
    • Organizer
      新学術領域「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」公募班キックオフミーティング
    • Place of Presentation
      京都府、京都市、京都大学
    • Year and Date
      2016-06-04 – 2016-06-04
  • [Remarks] 科学研究費補助金 基盤研究(A) 「スピンの分数化による量子スピン液体の開拓」

    • URL

      http://www.motome-lab.t.u-tokyo.ac.jp/sfqsl/index.html

  • [Remarks] 東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻

    • URL

      http://www.motome-lab.t.u-tokyo.ac.jp/index.html

URL: 

Published: 2018-01-16   Modified: 2022-09-13  

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