2017 Fiscal Year Annual Research Report
ハニカム格子イリジウム酸化物の新奇量子スピン液体状態
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17H01140
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高木 英典 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40187935)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北川 健太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 講師 (90567661)
平岡 奈緒香 (太田奈緒香) 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40758827)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 強相関電子系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の主目標であるKitaev模型から導かれる量子スピン液体の探索に注力した。二次元ハニカム格子化合物H3LiIr2O6において、実験的に自発的対称性の破れが少なくとも50 mKまで起きないことを確認し、Jeff=1/2磁気モーメントの量子スピン液体状態を発見したと結論した。これを論文として発信（東京大学よりプレスリリース）した。さらに、低温におけるH3LiIr2O6のNMRの緩和率1/T1、比熱C、磁化Mを詳細に解析し、素励起を探り、Kitaev模型との対応を考察した。。3つの物理量は温度T及び磁場Bの関数として5 K以下の低温で、B/Tに対して共通のスケーリング挙動（すべてのデータが普遍的なカーブを構築する）を示した。これらはゼロ磁場でE=０で発散的、磁場下ではμBBにスケールするフェルミ粒子状態密度モデルで定量的に記述できる。スケーリング挙動がナイトシフトKには現れないことから、このフェルミオン励起は１%程度のスピン欠陥に起因すると結論した。Kitaev模型に対する理論計算は、スピン欠陥が、トラップされた局在マヨラナ粒子として理解でき、その励起にE=0の特異性が現れることを示している。今回の結果はこれと整合してはいるが、他のスピン液体でも同様のスピン欠陥の振る舞いが期待できるので、Kitaevスピン液体、トラップされたマヨラナ粒子と結論することはできない。スピン欠陥の寄与を、スケーリングに従う部分と仮定して、観測された比熱から差し引くと、低温比熱にはT3項しか残らず、スピン液体バルクの低エネルギー励起にはギャップが開いていることが示唆される。このことは今回発見した量子スピン液体状態が等方的なKitaev相互作用からなる純粋なKitaev模型に期待される状態とは異なっていることを示唆する。その他、ハイパーハニカムLi2IrO3の圧力下での磁気秩序消失を高圧NMRにより詳細に調べ、結果がまとまりつつある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
量子スピン液体発見は分野を代表する研究上のブレークスルーであると自負する。ただし、本研究課題の申請時に、予備実験の結果として量子スピン液体性の兆候を掴んでいたので、課題遂行の進捗状況としては、この部分は予定通りとするのが妥当である。一方で、この結果を発信する過程で行われた解析で、非常に良く制御されたスピン欠陥が示すスケーリング挙動に気が付き、その詳細な解析が行われたことは予想外の進展であった。量子スピン液体のスピン欠陥としては、実験的に最もきれいに捉えることができ、ある意味で教科書的な例を提示している。すでに国内外のグループが、我々の結果に触発されてスケーリングの理論を構築し、過去のデータの再解析を始めるなど、そのインパクトが形となりつつある。上記の概要ではスペースの関係で記述できなかったが、ハニカム格子J=0モット絶縁体など、強いスピン軌道相互作用の結果として生じる他のエキゾチック相を見出しており、本課題がさらに大きな分野へとつながっていくことが十分に期待できる成果もあることも付記したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題の第一の目標の達成を受けて、予定通り第二、第三の目標達成に歩を進める。第二の目標として、H3LiIr2O6の素励起を捉え、量子スピン液体性の起源を実験的に解明する。単結晶を用いて実験することが飛躍的に情報を増やすが、H3LiIr2O6単結晶合成の見込みが出てきた。精密雰囲気制御によってLi2IrO3単結晶の単結晶が再現性良くできるようになった。バルクのイオン交換でH3LiIr2O6を作製する。まずは単結晶作製に注力し、年度後半から熱輸送、X線非弾性散乱、ラマン散乱などの実験を通じて、素励起の理解に本格的に挑むことになる。第三の目標として三次元ハニカムβ-Li2IrO3単結晶の圧力、磁場下の物性測定を本格化させる。量子スピン液体相探索、相図の全貌解明を目指す。当初の研究計画に無かったが、本課題の拡張としてJ=0 Mott絶縁体をベースとした励起子量子スピン液体のモデル物質やjeff=3/2状態をベースとした多重極子系などの新物質開拓を時間の許す限り進める。
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[Journal Article] Magnetism of the A-site ordered perovskites CaCu3Cr4O12 and LaCu3Cr4O122018
Author(s)
J. Sugiyama, H. Nozaki, I. Umegaki, K. Miwa, W. Higemoto, E. J. Ansaldo, J. H. Brewer, H. Sakurai, M. Isobe, H. Takagi, M. Mansson
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 97
Pages: 024416-1-9
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pseudogap temperature T* of cuprate superconductors from the Nernst effect2018
Author(s)
O. Cyr-Choiniere, R. Daou, F. Laliberte, C. Collignon, S. Badoux, D. LeBoeuf, J. Chang, B. J. Ramshaw, D. A. Bonn, W. N. Hardy, R. Liang, J.-Q. Yan, J.-G. Cheng, J.-S. Zhou, J. B. Goodenough, S. Pyon, T. Takayama, H. Takagi, N. Doiron-Leyraud, L. Taillefer
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 97
Pages: 064502-1-24
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Long-range interactions in the effective low-energy Hamiltonian of Sr2IrO4: A core-to-core resonant inelastic x-ray scattering study2017
Author(s)
S. Agrestini, C.-Y. Kuo, M. Moretti Sala, Z. Hu, D. Kasinathan, K.-T. Ko, P. Glatzel, M. Rossi, J.-D. Cafun, K. O. Kvashnina, A. Matsumoto, T. Takayama, H. Takagi, L. H. Tjeng, M. W. Haverkort
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 95
Pages: 205123-1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Giant exciton Fano resonance in quasi-one-dimensional Ta2NiSe52017
Author(s)
T. I. Larkin, A. N. Yaresko, D. Proepper, K. A. Kikoin, Y. F. Lu, T. Takayama, Y.-L. Mathis, A. W. Rost, H. Takagi, B. Keimer, A. V. Boris
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 95
Pages: 195144-1-10
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pulsed laser deposition for the synthesis of monolayer WSe22017
Author(s)
A. Mohammed, H. Nakamura, P. Wochner, S. Ibrahimkutty, A. Schulz, K. Mueller, U. Starke, B. Stuhlhofer, G. Cristiani, G. Logvenov, H. Takagi
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Journal Title
Appl. Phys. Lett.
Volume: 111
Pages: 073101-1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ultrafast Electronic Band Gap Control in an Excitonic Insulator2017
Author(s)
S. Mor, M. Herzog, D. Golez, P. Werner, M. Eckstein, N. Katayama, M. Nohara, H. Takagi, T. Mizokawa, C. Monney, J. Staehler
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 119
Pages: 086401-1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pressure tuning of bond-directional exchange interactions and magnetic frustration in the hyperhoneycomb iridate β-Li2IrO32017
Author(s)
L. S. I. Veiga, M. Etter, K. Glazyrin, F. Sun, C. A. Escanhoela, G. Fabbris, J. R. L. Mardegan, P. S. Malavi, Y. Deng, P. P. Stavropoulos, H.-Y. Kee, W. G. Yang, M. van Veenendaal, J. S. Schilling, T. Takayama, H. Takagi, D. Haskel
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 96
Pages: 140402-1-6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pseudogap phase of cuprate superconductors confined by Fermi surface topology2017
Author(s)
N. Doiron-Leyraud, O. Cyr-Choiniere, S. Badoux, A. Ataei, C. Collignon, A. Gourgout, S. Dufour-Beausejour, F. F. Tafti, F. Laliberte, M.-E. Boulanger, M. Matusiak, D. Graf, M. Kim, J.-S. Zhou, N. Momono, T. Kurosawa, H. Takagi, L. Taillefer
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 8
Pages: 2044-1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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