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2019 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) 那須 譲治  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (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

前年度までの研究をさらに発展させて研究を推進するとともに、新しい課題にも挑戦することで、以下の研究成果を得た。(1)実験グループとの共同研究をさらに発展させ、熱ホール伝導度の半整数量子化、NMRスピン格子緩和率、ラマン散乱の実験結果を解析し、キタエフスピン液体に特徴的なスピンの分数化との関連を明らかにした。(2)第一原理計算を用いたキタエフ候補物質の物質設計に関して、希土類化合物A2PrO3 (A=アルカリ金属)に対する系統的な研究を行い、反強磁性キタエフ相互作用の起源を微視的に明らかにした。(3)海外の研究協力者のひとりであるSimon Trebst教授のグループとの共同研究として、2種類の3次元キタエフ模型に現れる興味深い相転移現象を明らかにした。(4)磁場クエンチによって生じる実時間ダイナミクスを調べ、時間・エネルギースケールの異なる磁化の振動現象や、フェルミ面誘起といったスピンの分数化に起因した特徴的な振る舞いが現れることを明らかにした。(5)磁場中のキタエフ模型に適用可能な数値計算アルゴリズムを開発し、それによりスピン励起を調べることで、分数スピン励起から通常のマグノン励起へのクロスオーバー現象を明らかにした。(6)2層キタエフ模型の磁気ダイナミクスと有限温度の熱力学的性質を調べることで、キタエフ量子スピン液体とダイマーシングレット相の間の相転移現象を明らかにした。(7)長さが異なる2種類のスピンを持ったキタエフ模型に対して、有限温度の計算を行い、低温で巨視的なエントロピーが残留することを見出した。(8)スピン1のキタエフ模型における磁気励起の輸送特性を調べ、磁気分極していない量子スピン液体の領域においても磁気励起が伝わることを見出した。(9)本研究計画において得られた成果を取りまとめたレビュー論文を2編執筆した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (38 results)

All 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 4 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 10 results) Remarks (2 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Cologne(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      University of Cologne
  • [Int'l Joint Research] Stockholm University/KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)

    • Country Name
      SWEDEN
    • Counterpart Institution
      Stockholm University/KTH Royal Institute of Technology
  • [Int'l Joint Research] Boston College/University of Tennessee/Oak Ridge National Laboratory(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Boston College/University of Tennessee/Oak Ridge National Laboratory
    • # of Other Institutions
      3
  • [Int'l Joint Research] SICK Product Center Asia Pte. Ltd.(シンガポール)

    • Country Name
      SINGAPORE
    • Counterpart Institution
      SICK Product Center Asia Pte. Ltd.
  • [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      Imperial College London
  • [Journal Article] Hunting Majorana Fermions in Kitaev Magnets2020

    • Author(s)
      Motome Yukitoshi、Nasu Joji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 89 Pages: 012002-1~41

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.012002

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Chiral spin liquids with crystalline Z2 gauge order in a three-dimensional Kitaev model2020

    • Author(s)
      Mishchenko Petr A.、Kato Yasuyuki、O'Brien Kevin、Bojesen Troels A.、Eschmann Tim、Hermanns Maria、Trebst Simon、Motome Yukitoshi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Pages: 045118-1~13

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.045118

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Two-step gap opening across the quantum critical point in the Kitaev honeycomb magnet α?RuCl32020

    • Author(s)
      Nagai Yuya、Jinno Takaaki、Yoshitake Junki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Itoh Masayuki、Shimizu Yasuhiro
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Pages: 020414(R)-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.020414

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The range of non-Kitaev terms and fractional particles in α-RuCl32020

    • Author(s)
      Wang Yiping、Osterhoudt Gavin B.、Tian Yao、Lampen-Kelley Paige、Banerjee Arnab、Goldstein Thomas、Yan Jun、Knolle Johannes、Ji Huiwen、Cava Robert J.、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Nagler Stephen E.、Mandrus David、Burch Kenneth S.
    • Journal Title

      npj Quantum Materials

      Volume: 5 Pages: 14-1~8

    • DOI

      10.1038/s41535-020-0216-6

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Majorana-magnon crossover by a magnetic field in the Kitaev model: Continuous-time quantum Monte Carlo study2020

    • Author(s)
      Yoshitake Junki、Nasu Joji、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Pages: 100408(R)-1~6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.100408

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Antiferromagnetic Kitaev interactions in polar spin-orbit Mott insulators2020

    • Author(s)
      Sugita Yusuke、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Pages: 100410(R)-1~6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.100410

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin Transport in the Quantum Spin Liquid State in the S = 1 Kitaev Model: Role of the Fractionalized Quasiparticles2020

    • Author(s)
      Koga Akihisa、Minakawa Tetsuya、Murakami Yuta、Nasu Joji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 89 Pages: 033701-1~4

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.033701

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Antiferromagnetic Kitaev interaction in f-electron based honeycomb magnets2019

    • Author(s)
      Jang Seong-Hoon、Sano Ryoya、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Pages: 241106(R)-1~6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.241106

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermodynamics of a gauge-frustrated Kitaev spin liquid2019

    • Author(s)
      Eschmann T.、Mishchenko P. A.、Bojesen T. A.、Kato Y.、Hermanns M.、Motome Y.、Trebst S.
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 1 Pages: 032011(R)-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.1.032011

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Nonequilibrium Majorana dynamics by quenching a magnetic field in Kitaev spin liquids2019

    • Author(s)
      Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 1 Pages: 033007-1~16

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.1.033007

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Low-temperature properties in the bilayer Kitaev model2019

    • Author(s)
      Tomishige Hiroyuki、Nasu Joji、Koga Akihisa
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Pages: 174424-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.174424

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Residual entropy and spin fractionalizations in the mixed-spin Kitaev model2019

    • Author(s)
      Koga Akihisa、Nasu Joji
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 100 Pages: 100404(R)-1~5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.100404

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 誌上セミナー:量子スピン液体研究の最前線(その3)2019

    • Author(s)
      求 幸年, 那須譲治
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 54 Pages: 217~236

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] α-RuCl3のキタエフスピン液体状態におけるChern数の磁場角度依存性2020

    • Author(s)
      横井太一
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] Kitaev量子スピン液体候補α-RuCl3における磁気励起の異方性2020

    • Author(s)
      清水康弘
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] キタエフ量子スピン液体に対する乱れの効果2020

    • Author(s)
      那須譲治
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] Hunting Majorana fermions in Kitaev magnets2019

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Majorana signatures in proximate Kitaev spin liquids2019

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      International Conference on Frontiers of Correlated Electron Sciences
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fractional Majorana excitations in Kitaev spin liquids2019

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      The 5th Conference on Condensed Matter Physics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Fractional spin dynamics in Kitaev magnets2019

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      KITP Conference: Topological Quantum Matter: From Fantasy to Reality,
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Majorana Excitations in Kitaev Magnets under a Magnetic Field2019

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      14th Asia-Pacific Physics Condference (APPC 2019)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Majorana signatures in Kitaev magnets under magnetic fields2019

    • Author(s)
      Yukitoshi Motome
    • Organizer
      The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Three-dimensional chiral spin liquids in hypernonagon Kitaev model2019

    • Author(s)
      Yasuyuki Kato
    • Organizer
      The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nonequilibrium dynamics in Kitaev spin liquids with fractional Majorana quasiparticles2019

    • Author(s)
      Joji Nasu
    • Organizer
      The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Magnetic-field effect and transport properties in Kitaev spin liquids2019

    • Author(s)
      Joji Nasu
    • Organizer
      3rd EPiQS-TMS alliance workshop on Topological Phenomena in Quantum Materials (TPQM2019)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 磁性体に現れるマヨラナ粒子2019

    • Author(s)
      求 幸年
    • Organizer
      令和元年度 東北大学 電気通信研究所 共同プロジェクト研究会 「固体素子における非平衡ダイナミクスの精緻な理解と機能開拓」
    • Invited
  • [Presentation] Kitaevスピン液体におけるマヨラナ励起の検証:現状と今後2019

    • Author(s)
      求 幸年
    • Organizer
      新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」第12回トポロジー連携研究会「マヨラナ励起の実証に向けて」
    • Invited
  • [Presentation] ハイパーノナゴン格子キタエフ模型の3次元カイラルスピン液体2019

    • Author(s)
      加藤康之
    • Organizer
      第14回量子スピン系研究会
  • [Presentation] キタエフスピン液体における交流磁場による共鳴マヨラナ励起2019

    • Author(s)
      那須譲治
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] α-RuCl3における熱輸送とIr置換効果2019

    • Author(s)
      冨永貴弘
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Remarks] 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求研究室

    • URL

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

  • [Funded Workshop] The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism (focus session)2019

URL: 

Published: 2021-01-27  

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