2017 Fiscal Year Research-status Report
ボーズ系・量子スピン系におけるトポロジカル秩序とその端状態に対する数値的研究
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16K17751
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
鈴木 隆史 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (40444096)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | キタエフスピン液体 / 量子スピン系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度，昨年までのテーマに加えて，蜂の巣格子上のS=1/2量子スピン系模型で実現するトポロジカル秩序の一種，キタエフスピン液体に注目した．ごく最近になり，Na2IrO3やRuCl3などキタエフスピン液体の候補物質と期待される物質が高精度で合成できるようになったことを受け，国内外問わず，理論，実験両面から精力的な研究が進められている．本年度は，有限温度下も含めた励起状態などのダイナミクス計算を行うための大規模な並列計算が可能な汎用数値計算ライブラリの整備を進めた．開発した数値計算ライブラリを用いて第一原理計算から見積もられたRuCl3に対する有効磁気模型のうち，４つの磁気模型に対する動的性質，比熱などの物理量に対する温度依存性を調べ，非弾性中性子散乱実験や比熱実験の結果と比較を行った．主に１）第一原理計算から提案された有効磁気模型が非弾性中性子散乱実験や比熱の温度依存性をどの程度説明できるか，２）磁気励起や物理量の温度依存性にスピン液体の特徴がどのように現れるか，に注目して研究を進めた．その結果，本研究で注目した第一原理計算による有効模型は，非弾性中性子散乱実験はある程度説明できるが比熱の温度依存性を説明できないことを明らかにした．計算結果をもとに実験結果を説明するための新たな有効模型を提案した．提案した有効模型の妥当性を確認するため磁場中励起状態の計算を行い，その模型でテラヘルツ分光の磁場中実験を説明できることを示した．得られた結果は，低エネルギー磁気励起については，キタエフスピン液体を安定化する最近接格子間に働くキタエフ相互作用よりも磁気秩序を安定化させる弱いハイゼン非対角相互作用やその他の相互作用によって特徴づけられていることを明らかにした．得られた結果は今後のキタエフスピン液体物質実現に向けた一つの指針となると期待される．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度からの正方格子，蜂の巣格子上のSU(N)スピンを持つ一般化ハイゼンベルク模型の基底状態相図，端状態に対しては，計算精度を高めるために大規模数値計算を実施している．量子モンテカルロ法による数値計算を実施しているがシステムサイズ依存性が大きいことがわかったため慎重な解析を進めている．大きなシステムサイズに対する計算は，計算精度を高めるために長時間の計算が必要である．計算計画を立て，共同利用スーパーコンピュータを援用して研究を通り進めている．
今年度はそれと並行してキタエフスピン液体が基底状態として期待される蜂の巣格子上の一般化キタエフ模型の磁気励起に対する研究を進めた．励起状態について高精度計算する手法の一つとして数値厳密対角化法に基づくものがある．本年度，有限温度も含めた励起状態を計算する大規模並列数値計算ライブラリを開発した．開発した計算ライブラリをもとに蜂の巣格子磁性体RuCl3の非弾性中性子散乱実験や比熱測定を説明しうる有効模型について議論し，キタエフスピン液体実現に向けた物質合成に向けた有用な知見を得た．得られた成果については適宜，国内外の研究会，学会で発表を行うなど，機会を利用して実験グループとの情報共有を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
正方格子・蜂の巣格子一般化SU(N)模型については，基底状態相図の完成を目指す．特徴的な秩序相が存在することが確認できているので，先行研究で予想されていた秩序状態と比較するとともに，相境界上にどのような端状態が形成されるか数値計算を進めていく．それに加えて昨年度明らかにしたRuCl3の磁場中も含めた磁気励起の特徴と，磁場誘起量子スピン液体の可能性について精力的に研究を進める．現在，RuCl3に対する磁場中励起状態を明らかにすること目的として，テラヘルツ分光実験や非弾性中性子散乱実験が行われている．磁場中での実験から磁気秩序が消失する磁場前後で興味深い振る舞いが複数観測されているので，それらのスピン液体との関連を明らかにしていく．まず，昨年度にかけて開発した大規模並列ダイナミクス計算コードの機能を拡張し，我々が提案したRuCl3の有効模型がラマン散乱実験を含めて実験結果を再現できるかを含めて検証を進めていく．その後，磁場中のダイナミクスの特徴を多角的に調べ，ダイナミクスに期待されるスピン液体の特徴を議論する．また，今年度はRuCl3以外にも蜂の巣格子キタエフ模型で記述されると考えられている物質，例えばLiHIrO3などに注目して，スピン液体の可能性について議論を進めていきたい．LiHIrO3はNMR測定などから極低温まで磁気秩序を示さないことが報告されている．LiHIrO3についても有効模型の議論がなされているので，それらがどのような励起の特徴を持ち，ダイナミクスを示すのかを数値計算の立場から明らかにしていく．得られた結果を実験結果と比較するとともに，適宜実験グループと情報交換してスピン液体実現に向けて研究を効率的に進めていく．
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| Causes of Carryover |
今年度購入予定であったデータ解析用パソコンの発売発表が遅れたため，年度内納品が間に合わないことがわかった．また性能的に既存のものと大きく向上しないことがわかったため，翌年度以降に改めて代替製品を検討しの購入することにした．
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