2017 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum phases and quantum excitations in spin systems
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17H01142
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田中 秀数 東京工業大学, 理学院, 教授 (80188325)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
栗田 伸之 東京工業大学, 理学院, 助教 (80566737)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピン系 / 量子相転移 / 量子相 / 磁気励起 / フラストレーション / 量子効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9の磁気励起の全体像を中性子非弾性散乱実験で解明した。分数スピン励起を強く示唆し，新しいフレームワークの理論の必要性を指摘した重要な結果である。一軸性単イオン異方性による基底一重項を持つ反強磁性体CsFeBr3の磁場誘起磁気秩序の臨界現象を希釈冷凍機温度までの低音で比熱測定行なって調べ，Bose-Einstein凝縮の臨界挙動に完全に一致することを実証した。弱い容易面型異方性を持つ擬二次元強磁性体K3CuF4の磁場中磁気相転移を磁化測定と比熱測定で詳細に調べ擬二次元Bose-Einstein凝縮の臨界挙動に一致することを示した。スピン1/2三角格子反強磁性体と蜂の巣格子Ising反強磁性体の2つの部分系から構成されるBa2CoTeO6の磁気励起を多周波数高磁場電子スピン共鳴で詳細に調べ，三角格子反強磁性体に特徴的な集団励起と蜂の巣格子Ising反強磁性体に特徴的は局在励起を観測した。これらの結果はいずれも論文として発表した。スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9は量子揺らぎに起因する磁場中相転移を起こす。この磁場中量子相転移をBerlinのHelmholtz Centerの高磁場マグネットを用いた中性子弾性散乱で調べ，磁化測定で観測された相転移を確認した。さらに三角格子反強磁性体Ba2La2MTe2O12 (M=Co, Ni, Mn, Fe)を初めて合成し，その結晶構造を粉末X線回折で決定した。また，Ba2La2MTe2O12の強磁場磁化測定を行い，三角格子量子反強磁性体に特徴的な量子揺らぎに起因する1/3磁化プラトーを観測した。
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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
スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9の磁気励起の全体像を中性子非弾性散乱実験で解明したことは長年にわたる問題に実験的な解答を与えたもので，大きな成果といえる。また，新規三角格子反強磁性体のファミリーBa2La2MTe2O12 (M=Co, Ni, Mn, Fe)を開拓したことも重要な成果である。より詳しい研究を行うには，単結晶が不可欠である。現在，Ba2La2MTe2O12の単結晶育成を行なっている。Kitaev模型のモデル物質として注目を浴びているRuCl3の集団磁気励起とg値を多周波数高磁場電子スピン共鳴で観測することができた。さらに，他機関との共同研究でKitaev模型に特徴的な熱ホール効果の量子化も実験で観測に成功した。また，我々が開拓した新規スピンダイマー磁性体Ba2CuSi2O6Cl2の磁気励起を測定し，トリプレット励起にバンドギャップが開くという新しい現象を観測し，その起源がダイマー間相互作用に交代にあることを突き止めた。さらにバンドギャップ周辺の分散関係のトポロジーからチャーン絶縁体に類似した端状態が生ずる可能性が分かってきた。これらの結果はいずれも磁性研究のみならず物性物理学の最先端を行くもので，将来の発展性が期待できる成果であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9のゼロ磁場での磁気励起の全体像を中性子非弾性散乱実験で捉えたが，磁場中での磁気励起の変化は未解明である。今後は磁場中での磁気励起の測定が可能な海外の施設を利用して，Ba3CoSb2O9の磁場中磁気励起の全容解明を行う。新規三角格子反強磁性体のファミリーBa2La2MTe2O12 (M=Co, Ni, Mn, Fe)については，まず単結晶育成を行い，それを用いた磁化測定と熱測定を行う。続いて中性子散乱実験で磁気励起を捉える。また，新規スピンダイマー磁性体Ba2CuSi2O6Cl2の磁気励起の結果の解析を進め，分散関係のトポロジーがもたらすことが予想される熱ホール効果などの新規現象を実験的に捉える。更に，spinギャップ系の磁場誘起Bose-Einstein凝縮相におけるspinスーパーカレントの観測を行うための実験を進める。最後に，これまでと同様に，新物質開拓を鋭意進める。具体的な目標は1) Kitaev模型のモデル物質，2) 交換相互作用のランダムネスがもたらす量子無秩序状態を基底状態の持つ系，3) 磁化プラトーやspin液体状態を示すことが期待される面心立方格子や籠目格子量子反強磁性体などである。
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Research Products
(18 results)
