2019 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study on pyrochlore and kagome quantum spin liquids and their topological properties
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16K05426
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
小野田 繁樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (70455335)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子スピン液体 / スピンアイス / パイロクロア格子 / カゴメ格子 / 理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
パイロクロア量子スピンアイス系は、長距離U(1)トポロジカル秩序を示すU(1)量子スピン液体相を実現する候補である。このU(1)量子スピン液体では、バルクのエネルギー励起にギャップが存在せず、自発的に発生したU(1)ゲージ構造からのギャップレス励起（疑似光子）、および、エネルギーギャップをもった磁化のモノポールの準粒子励起が生じる。モノポールがボーズ凝縮する場合には磁気秩序相（Higgs相）へと相転移する。本研究課題では、この量子スピンアイス系に特有な現象を理論的に探究し、主に以下の世界に先駆けた成果を上げた。
量子スピンアイスに[111]方向へ磁場を印加すると、高温では古典的スピンアイスからカゴメアイス、完全スピン偏極相へ、低温ではU(1)量子スピン液体相から、単位格子が3倍の共有結合性固体（Valence Bond Solid）相、磁化モノポールの超固体相、完全スピン偏極相へと逐次的に相転移することを、量子モンテカルロ計算から示した。
U(1)量子スピン液体相をHiggs強磁性相で挟んだ接合系において、接合面に平行に電場を印加すると、接合を介してモノポールのトンネル超流動流が表面に流れ、接合面に垂直にな磁化の変化をもたらすことをゲージ理論から示した。この新しい現象はモノポール流生成検出装置・記憶装置の動作原理として利用可能であり、関連する特許を申請した。
Aサイトがデインターカレートしたスピネル型イリジウム酸化物が、スピン間相互作用の強さが磁性希土類パイロクロア酸化物より2桁高い室温量子スピンアイスとして実現しうることを、第一原理密度汎関数法の計算から示した。
最終年度には、量子スピンアイス系Yb2Ti2O7の低温強磁性秩序相における磁気励起の理論解析を完了させた。第一磁気励起が、疑似光子励起がU(1)ゲージ対称性の破れに伴ってエネルギーギャップを持った励起として解釈された。
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