2019 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 / フラストレーション / 量子効果 / 磁気励起 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2次元スピンダイマー系Ba2CuSi2O6Cl2で観測された局在磁気励起の結果を詳しく解析し，この系ではダイマー間の交換相互作用のフラストレーションが完全であることを確認した。また，欠陥によって生じた不対スピンとダイマースピンとの3体問題で生ずる励起状態への遷移が実験結果を非常によく説明することを見出した。
スピン1/2の籠目格子量子反強磁性体Cs2Cu3SnF12とRb2Cu3SnF12の磁気励起を中性子散乱で詳しく調べた。一様な籠目格子に近いCs系の基底状態は秩序状態であるが，格子歪みによって単位胞が2×2倍になっているRb系の基底状態は非磁性のsinglet状態になる。Cs系では単一マグノン励起のエネルギーが低エネルギー側に大きく再規格化されることを確認した。また交換相互作用の2倍以上の高エネルギーまで続く連続励起を観測した。Rb系ではtriplet励起と構造相転移によって単位胞が大きくなったことによるtriplet励起のghost モードを明瞭に観測した。更に，Cs系の場合と同じように，最大の最近接交換相互作用の2倍以上の高エネルギーまで続く連続励起を観測した。この連続励起の逆格子空間での強度分布はCs系とRb系とで殆ど同じであることから，籠目格子量子反強磁性体に特徴的な励起であることが分かった。
三角格子量子反強磁性体と競合するIsing的な蜂の巣格子反強磁性体の2つのsubsystem (A, B) からなる磁性体Ba2CoTeO6の磁気励起を中性子散乱で詳しく調べた。Subsystem Aの励起スペクトルはBa3CoSb2O9と類似していたが，強度の波数依存性に違いが見られた。また，三角格子面に垂直な方向の低エネルギー励起に分散が見られず，磁気励起が2次元的であることが分かった。このような励起は殆ど例がない。
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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
2019年度はフラストレーションの強い量子スピン系の磁気励起で相当な進展があった。(1) 当研究室で開拓した2次元スピンダイマー系Ba2CuSi2O6Cl2で観測された局在磁気励起のスペクトルの特徴を解明した。本成果は分担者の栗田が国際会議で招待講演を行っている。(2) スピン1/2の籠目格子量子反強磁性体Cs2Cu3SnF12とRb2Cu3SnF12の磁気励起スペクトルを高エルギーまで測定し，基底状態の詳細には依らず，連続励起が交換相互作用の2倍程度の高エネルギーまで続いていることを初めて示した。これは，磁気励起の実験研究が少ない籠目格子量子反強磁性体における重要な成果と位置付けられる。(3) 三角格子量子反強磁性体と蜂の巣格子J1-J2 Ising反強磁性体の2つのsubsystemからなるBa2CoTeO6の磁気励起の実験からは，これまで理想的に最も近い三角格子量子反強磁性体と考えられていたBa3CoSb2O9の磁気励起よりも2次元的なスペクトルが得られた。この結果はフラストレーションの強い量子反強磁性体の磁気励起の理解に大きく資するものと考えられる。(4) 新しい量子スピン系CsLiRuCl6を合成し，その結晶構造と磁性を調べた。大きく異方的なg値が求められたが，これはKitaev模型のモデル物質α-RuCl3で観測された物理量の大きな異方性の理解に資するものと期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
α-RuCl3はKitaev模型のモデル物質として世界的な規模で研究が進んでいるが，その相互作用パラメーターの詳細はまだ分かっていない。相互作用パラメーターの決定には，低エネルギーのスピン波励起の分散関係を知る必要がある。この物質のこれまでの中性子散乱による磁気励起の研究は，主に高エネルギー領域と高温領域が中心であった。そこで，次年度以降は，α-RuCl3の純良単結晶を用いて，低エネルギー励起を広い逆格子空間で詳細に調べ，スピン波励起の分散関係を求め，その解析からα-RuCl3における相互作用パラメーターの決定を行う。これまでの結晶育成法の改良で200~400 mgの純良単結晶が得られている。J-PARCに設置された中性子分光器は非常に高い性能を有するので，質の高いデータが得られると考えられる。
Kitaev模型に等方的なHeisenberg項が加わったKitaev-Heisenberg模型の場合には，三角格子系などのフラストレート系でZ2 vortex結晶と呼ばれる不整合スピン構造が現れることが理論的に予言されている。これは新しい起源の不整合スピン構造であるので，その実験的発見は重要な意味を持つ。そこで，Ru3+を磁性イオンとする磁性体を開拓し，Z2 vortex結晶の発見を目指す。
我々は新たな三角格子量子反強磁性体や1次元量子スピン系の候補物質として，化学式A4MB2X12 (A=Cs, Rb, M=Cu, Ni, Co, Fe, Mn, V, X=Cl, Br)で表される物質の合成を試みている。いくつかの系では単結晶が得られている。今後はX線回折による結晶構造の詳細な決定を行い，磁気測定，比熱測定，中性子散乱，ESRによって，総合的な磁性研究に着手する計画である。この系は新しい量子磁性体のファミリーとして，量子磁性の理解に大きく貢献することが期待される。
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[Journal Article] Magnetic structure and high-field magnetization of the distorted kagome lattice antiferromagnet Cs2Cu3SnF122019
Author(s)
K. Matan, T. Ono, G. Gitgeatpong, K. de Roos, P. Miao, S. Torii, T. Kamiyama, A. Miyata, A. Matsuo, K. Kindo, S. Takeyama, Y. Nambu, P. Piyawongwatthana, T. J. Sato and H. Tanaka
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 99
Pages: 224404 (1-12)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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