2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Study to Observe the Spin Gap of the Kagome Lattice Antiferromagnet Using the Forbidden Transition of ESR
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16K05419
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
坂井 徹 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (60235116)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中野 博生 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (00343418)
利根川 孝 神戸大学, 理学研究科, 名誉教授 (80028167)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子スピン系 / 量子スピン液体 / フラストレーション / カゴメ格子反強磁性体 / 電子スピン共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温超伝導の起源として提唱された量子スピン液体が注目されている。この量子スピン液体を実現する有力な候補物質として、カゴメ格子反強磁性体の研究が盛んにおこなわれている。このカゴメ格子反強磁性体で実現する量子スピン液体の理論的描像として、U(1)ディラックスピン液体、及びZ2トポロジカルスピン液体と呼ばれる二つの理論が提案されているが、どちらが正しいか、未だに決着がついていない。前者は、スピン励起のエネルギースペクトルがギャップレスであるのに対し、後者はスピンギャップと呼ばれるエネルギーギャップが存在する。そこで、このスピンギャップの有無を解明することにより、どちらの理論が正しいか、決着をつけるのが、本研究の目的であった。スピンギャップを検出する有力な手段として、電子スピン共鳴（ESR)があるが、従来のESRでは、スピン量子数の異なる状態間の遷移であるスピンギャップは観測できない。しかし、カゴメ格子反強磁性体では、結晶の対称性から、ジャロシンスキー・守谷相互作用と呼ばれる異方性が存在するため、スピンの保存則が破れ、この禁制遷移に相当するスピンギャップが観測できるというのが、本研究の重要な要素である。本研究では、この結晶の対称性から推定されるジャロシンスキー・守谷相互作用を仮定し、結晶軸・磁場・入射波の偏極の相対的な角度に依存する、禁制遷移の選択則を、理論模型の数値計算により導いた。この選択則に基づいて、これらの相対角度を変えたESR測定を行うことにより、カゴメ格子反強磁性体のスピンギャップの有無を解明する検証実験を提案した。この検証実験が実行されれば、実存するカゴメ格子反強磁性体のスピンギャップの有無が解明され、U(1)ディラックスピン液体が正しいのか、Z2トポロジカルスピン液体が正しいのか、明確になるであろう。
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