2019 Fiscal Year Annual Research Report
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18H01180
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
笠原 裕一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10511941)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊賀 文俊 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (60192473)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 近藤絶縁体 / トポロジカル物性 / 中性フェルミオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、近藤絶縁体において本来金属で期待される量子振動現象が観測され、トポロジカル表面状態や中性フェルミオンの存在が指摘されている。本研究で目的とするのは、特に中性フェルミオン励起に着目し、中性フェルミオンを実験的に検出するとともにその非自明な準粒子の示す物性現象を解明することである。昨年度、典型的な近藤絶縁体であるYbB12において強磁場下での電気抵抗測定および磁気トルク測定を行い、電気抵抗ならびに磁気トルクにおいて量子振動を観測した。これは絶縁体であるにも関わらず金属の特徴であるフェルミ面が存在を示すものであり、従来の常識を覆す電子状態が実現していることが明らかになった。本年度は低エネルギー励起を調べるために熱輸送および比熱測定を行った。その結果、残留比熱および残留熱伝導率を観測した。これは電気的中性なフェルミオン励起の証拠を与えるものである。このような前例のない量子振動と中性フェルミオン励起の関係を明らかにすることは、近藤絶縁体における得意な電子状態を明らかにする上で極めて重要である。
さらに中性フェルミオン励起が示唆されているスピン系（磁性絶縁体）における量子スピン液体状態の研究を行った。理想的な三角格子をもつ磁性絶縁体1T-TaS2における比熱および熱伝導率測定、さらには元素置換および電子線照射によりランダムネスの効果を詳細に調べることにより、遍歴的なスピノン励起と一重項状態を形成する局在スピン励起が共存することが明らかとなった。また、遍歴スピノン励起はランダムネスにより強く抑制されることがわかった。これまで未解明であった量子スピン液体状態におけるランダムネス効果の理解を飛躍的に進歩させるだけでなく、三角格子における量子スピン液体状態における本質的な低エネルギー励起の性質を明らかにする上で極めて重要な結果である。
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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
量子振動が観測されたYbB12において低エネルギー励起を調べるために、熱輸送測定や比熱測定を行い、有限の残留比熱および残留熱伝導率を観測した。特に熱伝導率測定からは電子の場合に期待されるWiedemann-Franz則の破れを観測した。以上の結果は、中性フェルミオンの存在の証拠を与えるものである。一方で、熱ホール伝導度は小さく、現在のところ実験結果を説明する理論がないのが現状である。新しいタイプの中性フェルミオン励起が示唆される。何れにせよ、当初の計画どおりに(1)中性フェルミオン励起の検出、(2)中性フェルミオンによるフェルミ面の観測、に成功しており、計画は順調に進展していると言って良い。
さらに磁性絶縁体における量子スピン液体状態において、これまで未解明であったランダムネス効果を明らかにするとともに２種類（遍歴的・局在的）のスピン励起が共存することを明らかにした。
以上の成果は当初予期していないものが含まれており、当初計画以上に研究が進展していると結論付けられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
残された課題は(1)近藤絶縁体における中性フェルミオンの起源の解明、および(2)普遍性の検証、である。そのためには他の近藤絶縁体における研究が不可欠である。今年度は反強磁性を示す近藤絶縁体YbIr3Si7においてYbB12と同様に低温比熱・熱伝導率、磁気トルク、電気抵抗を用いた研究を推進し、中性フェルミオン励起の探索と磁性に対する影響を明らかにする。さらにYbB12における表面状態の起源を明らかにするために微細加工を施した試料における高磁場中電気抵抗測定を行う。
また、引き続き量子スピン液体状態における準粒子励起を明らかにすべく、キタエフ量子スピン液体候補物質（α-RuCl3, Na2IrO3, Li2IrO3）における熱ホール効果測定を行い、マヨラナフェルミオン励起が現れる条件を明らかにする。
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[Journal Article] Effect of quenched disorder on the quantum spin liquid state of the triangular-lattice antiferromagnet 1T-TaS22020
Author(s)
H. Murayama, Y. Sato, T. Taniguchi, R. Kurihara, X. Z. Xing, W. Huang, S. Kasahara, Y. Kasahara, I. Kimchi, M. Yoshida, Y. Iwasa, Y. Mizukami, T. Shibauchi, M. Konczykowski, and Y. Matsuda
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 2
Pages: 013099
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Unconventional thermal metallic state of charge-neutral fermions in an insulator2019
Author(s)
Y. Sato, Z. Xiang, Y. Kasahara, T. Taniguchi, S. Kasahara, L. Chen, T. Asaba, C. Tinsman, H. Murayama, O. Tanaka, Y. Mizukami, T. Shibauchi, F. Iga, J. Singleton, Lu Li, and Y. Matsuda
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 15
Pages: 954-959
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] α-RuCl3のキタエフスピン液体状態におけるChern数の磁場角度依存性2020
Author(s)
横井太一, 馬斯嘯, 笠原裕一, 笠原成, 芝内孝禎, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年D, C. Hickey, S. Trebst, 松田祐司
Organizer
日本物理学会 第75回年次大会
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[Presentation] 1T-TaS2の量子スピン液体における電子線照射の効果と比熱のスケーリング則2019
Author(s)
鈴木裕貴, 村山陽奈子, 佐藤雄貴, 谷口智哉, 栗原遼, X. Z. Xing, 笠原成, 笠原裕一, Itamar Kimchi, 吉田将郎, 岩佐義宏, Marcin Konczykowski, 松田祐司
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 微細加工したトポロジカル近藤絶縁体YbB12の輸送現象測定2019
Author(s)
佐藤雄貴, 笠原成, 笠原裕一, 芝内孝禎, Ziji Xiang, Lu Chen, Colin Tinsman, Lu Li, 伊賀文俊, Nityan Nair, James Analytis, John Singleton, 松田祐司
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] α-RuCl3における熱輸送とIr置換効果2019
Author(s)
冨永貴弘, 横井太一, 馬斯嘯, 笠原裕一, 佐藤雄貴, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, C. Hickey, S. Trebst, Chunhyeon Lee, Kwang-Yong Song, 芝内孝禎, 松田祐司
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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