Unraveling the spin state of magnetic ionic liquids

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17K05619
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Biological physics/Chemical physics/Soft matter physics
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: Kofu Maiko 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究副主幹 (70549568)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: スピングラス / 磁性イオン液体 / 中性子散乱 / 局所磁気励起

Outline of Final Research Achievements

Magnetic ionic liquids with magnetic anion exist in liquid state near room temperature. One remarkable feature is that either crystalline or glassy state can be created depending on thermal history. At low temperatures, antiferromagnetic ordering occurs in the crystal state while a spin glass transition in the structural glass state. Inelastic neutron scattering measurements have demonstrated that spin-wave excitations were observed in in the ordered phase of the crystalline sample, while localized low-energy magnetic excitations in the spin glass state. The localized excitation is scaled by the Bose population factor below the spin glass transition temperature and has a lot in common with low-energy vibrations (boson peak) commonly observed in structural glasses. The “magnetic” boson peak could be described by elementary excitations arising from spin clusters with different sizes and spin configurations.

Free Research Field

物性物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スピングラスは様々な物質群において発現し、その特異な緩和ダイナミクスが詳細に調べられてきた。一方、スピングラス固有の磁気励起は存在するかという基本的問いに対し、明確な解答は得られていない。結晶上で発現するスピングラスでは、隣接する秩序相由来のスピン波などが現れてしまうことが一因である。本研究では、構造ガラス上で発現するスピングラスに着目し、局所磁気励起が存在することを明らかにした。この局所磁気励起は、結晶状態のスピン波とは全く異なり、スピングラス状態に固有のものである。局所磁気励起を示唆する理論計算の報告もあり、今後スピングラス状態における素励起の理解が進むと期待される。