2018 Fiscal Year Annual Research Report
Spin and thermal transport phenomena mediated by magnon pair in low-dimensional magnet
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16K05494
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
大西 弘明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (10354903)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | スピンネマティック状態 / スピン伝導度 / 熱伝導度 / 四極子励起スペクトル / 波束ダイナミクス / 密度行列繰り込み群 / 数値対角化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
通常の磁気秩序系では、磁気励起はスピン波を量子化したマグノンによって記述され、角運動量１を運ぶマグノンが結晶中を伝播することでスピン流や熱流が生じる。一方、スピンネマティック状態では、２つのマグノンが束縛状態を作るため、角運動量２を運ぶマグノン対がスピン伝導・熱伝導に寄与すると考えられる。本研究は、マグノン対の流れによるスピン伝導・熱伝導の特性を明らかにすることを目的としている。
スピン伝導を特徴付ける物理量として、スピン伝導度のゼロ周波数成分であるスピンドルーデ重みの温度・磁場依存性を数値対角化により解析した。磁場を印加すると、スピンドルーデ重みは一旦増加してピークを生じた後減少すること、そのピーク構造は特に低温で顕著に現れることを見出した。この低温での振る舞いは、絶対零度でスピンネマティック状態が発現する前駆現象として理解でき、スピンネマティック状態で形成されるマグノン対がスピン伝導に寄与することを示唆している。
スピン伝導・熱伝導のメカニズムを視覚的に捉えるアプローチとして、マグノン対の波束の伝播ダイナミクスを時間依存密度行列繰り込み群により解析した。磁場依存性の解析にあたって、密度行列繰り込み群で通常用いる自由境界条件では端の効果で磁化構造が誘起されて一様な基底状態が得られないため、周期境界条件を適用した。マグノン対がコヒーレンスを保って伝播してスピン伝導・熱伝導に寄与することの証左として、全マグノン対密度が一定の値に収束していくことを見出した。飽和磁場近傍では、四極子励起スペクトルのギャップレスモードの底広フラット構造を反映して、マグノン対波束は時間発展しても局在構造を保って初期位置にとどまるが、磁場が小さくなるにつれて、ギャップレスモードは底狭の線型に近い分散構造へと変化するため、伝播速度は次第に速くなることを明らかにした。
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