2018 Fiscal Year Research-status Report
Exotic excitations and anomalous transport phenomena in quantum spin liquids
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17K05517
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤本 聡 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10263063)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スピン液体 / 磁性 / キタエフ・モデル / マヨラナ粒子 / 熱ホール効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) ワイル超伝導におけるワイル準粒子のカイラル異常、すなわちBerry曲率に起因する熱伝導特性について研究を行なった。その際、渦が存在する空間不均一系においてBerry曲率の寄与を取り入れた輸送係数の計算を行うために、従来の準古典近似の方法を、Berry曲率を含む量子補正を取り入れた形に拡張した。その結果、カイラル異常に特徴的な負の熱磁気抵抗が実現することが示された。
(2) 上記の拡張された準古典近似の方法をさらに発展させ、Berry曲率由来の熱ホール伝導率の計算を、開いた境界を有する系や、空間不均一な系に対しても可能にする量子補正を取り入れた準古典近似の方法を開発した。この方法をカイラル超伝導の簡単なモデルに適用し、理論の有効性を確認した。この新しい手法は汎用性が高く、カイラル・スピン液体状態の熱ホール伝導率にも適用可能であり、この方向で研究を今後、展開していく予定である。
(3) Kitaevスピン液体状態に対する非Kitaev相互作用の効果について研究を行なった。候補物質α-RuCl3に存在する非対角対称交換相互作用が、Kitaevスピン液体状態に新しい性質を付与する可能性があることが明らかになった。磁場誘起による遍歴マヨラナのエネルギーギャップが非対角対称交換相互作用によって、増強されカイラルスピン液体状態が安定化することが分かった。さらにα-RuCl3では磁気秩序相に近接してスピン液体相が存在することに着目し、磁気相とスピン液体相との共存相において、マヨラナ粒子のフェルミ麺が出現することが分かった。これらの結果は、現実の物質で実現するスピン液体状態が単に磁気秩序の無い常磁性状態ではなく、多様な性質を持つ量子相であることが分かってきた。
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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
これまでの研究で、Kitaevスピン液体状態に対する非キタエフ相互作用の影響について、当初の予想よりも重大な発見があった。従来の研究では非キタエフ相互作用はスピン液体状態を不安定にし、磁気秩序相を安定化するという観点にのみ焦点を当てたものが多かったが、本研究によって、それがスピン液体状態にマヨラナ・フェルミ面等の豊かな性質を付与するということが分かってきた。現実物質におけるスピン液体状態が理想的なKitavモデルから予想されるものよりも、豊かな物理を有することが明らかになり、今後、さらにこの方向での新たな発見、発展が期待される。
また、超伝導の研究との関連で開発を進めてきた、Berry曲率由来の量子補正を含む準古典近似の理論がほぼ完成に近づいており、これをカイラル・スピン液体状態に適用することも可能になっており、この方向での研究も加速されてきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
Kitaevスピン液体状態に対する非Kitaev相互作用の効果に関する研究をさらに推進していく。非対角対称相互作用をKitaevスピン液体状態に対する摂動として扱い、その摂動項がスピン液体状態に及ぼす影響を調べる。最近の予備的な計算により、非対角対称相互作用が遍歴マヨラナ粒子のバンド構造に重要な影響を与え、Chern数が変化する可能性があることが分かってきた。このようなトポロジカル相転移の可能性についても詳細に調べていく。
さらにカイラルスピン液体状態における熱ホール効果の研究も進めていく。これまでの研究によって開発された、量子補正を含む新しい準古典近似の方法をカイラルスピン液体状態に適用し、熱ホール効果について調べていく。また、Berry曲率由来の異常熱ホール効果だけでなく、格子の乱れや不純物によるカイラリティの空間不均一性に由来するskew 散乱等に起因する外因的異常熱ホール効果についても研究を展開する。
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| Causes of Carryover |
当初、予定していた大学院生の国際会議参加のための国外出張旅費よりも、運賃経費が安く済んだため、未使用額が生じた。これらの未使用額について、次年度に増える院生の国際会議参加のための旅費、参加費に当てる。さらに院生にはより積極的な国際会議での発表を強く進めて、発表機会を増やすことによって、未使用経費を使用する。
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