2020 Fiscal Year Annual Research Report
Toward realization of honeycomb-structure quantum liquid and study of excitations
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19H01836
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
北川 健太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 講師 (90567661)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松林 和幸 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (10451890)
平岡 奈緒香 (太田奈緒香) 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40758827)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子スピン液体 / 擬スピン / キタエフ系 / ランタノイド / 核磁気共鳴 / ボーズアインシュタイン凝縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピンと軌道が強く結合した系のトポロジカル物性として、ハニカム構造のランタノイド4f電子化合物に着目して強相関物性と量子磁性相を開拓している。これらの立方対称様結晶場では擬スピン1/2の量子スピンが実現し、ボンド依存の異方的なスピン間相互作用と今までにない量子磁性相を実現することが出来る。ハニカム構造化合物における厳密解キタエフ量子スピン液体は、まさにその体現であり、マヨラナ物理・エニオン統計やトポロジカル量子コンピュータへの応用可能性などから非常に注目されている。我々は、現実には未だ実現されていないこの新量子液体の探索を主目的に磁性未知物質の合成と評価を続けている。
前年度までは、4f1のキタエフ候補物質としてPr4+化合物Na2PrO3の磁性状態を明らかにしてきた。23Na-NMR測定とその解析から、理論予想の相図上で反強磁性キタエフスピン液体に近い磁性状態にあることが確認できた。また、強磁場下で反強磁性的キタエフスピン液体になっている可能性を示唆する磁化課程が見られた。
4f電子の磁性には、キタエフ物理に加え、まだまだバリエーション豊かな物性が眠っている。本課題の新たな展開として、傾角反強磁性のハードコアボゾン近似によるボーズアインシュタイン凝縮相を研究している。正孔が一つの4f13のハニカム化合物YbCl3では、4f1とは真逆の理想的なハニカム格子ハイゼンベルグ模型が実現するが、理想からのわずかなずれにより非常に低温で長距離反強磁性秩序を示す。この秩序は外部磁場により磁場誘起強磁性状態に相転移するが、この近傍の傾角反強磁性状態はボゾンのボーズアインシュタイン凝縮相と等価とみなすことができる。本年度は、比熱・磁化・NMRの簡素から実際にボーズアインシュタイン凝縮相をYbCl3において実証したことを招待講演等で報告した。
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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
後述するSm新化合物の合成成功に加え、YbCl3におけるボーズアインシュタイン凝縮相の物理の発見が得られ、当初の計画にはない正にランタノイド擬スピン1/2の多様性を体現する独創的な成果が得られた。一方、擬スピン1/2の高圧下新量子磁性相の開拓に関しては、7GPaまで常磁性を測定可能な精密磁化測定技術の開発が本年度完了し論文が受理されたことも計画以上の進展の理由の一つである。
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| Strategy for Future Research Activity |
主目的のキタエフ量子スピン液体の実現に向けた研究としては、新しく開発した超高圧磁化測定装置と超高圧NMR測定により、高圧下でのキタエフ量子スピン液体の実現を目指す。対象の物質としては、Na2PrO3に加え、新Smハニカム化合物群を挙げる。後者は、第一原理計算データーベースを利用して計算機上で安定解としられる物質の合成を試み、２０２０年度中に実際に新ハニカム化合物の合成に自ら成功したものである。Sm3+(4f5)はPr4+(4f1)と同様のJ=5/2が結晶場分裂した擬スピン1/2状態を持つことが予想され、良いキタエフ候補物質となりうる。今後は、この新Sm化合物の常圧・高圧の磁性状態の解明に務める。
次に擬スピン1/2物理の新展開である、YbCl3のボーズアインシュタイン凝縮相の研究では、良質な単結晶を用いた極低温２軸回転NMR実験により精緻な相図の解明とスピンゆらぎ測定を行い、秩序とゆらぎの次元性を調べる。これは、２次元性を仮定した近似がゼロ磁場の傾角反強磁性の長距離秩序と矛盾しているからであり、長距離秩序が臨界磁場周辺でも保たれるかどうかを主眼に研究をすすめる。
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[Presentation] f電子系キタエフ候補物質Na2PrO3の磁気特性2020
Author(s)
露木裕太, 北川健太郎, Kelton Whiteaker, Marian Blankenhorn, 高木英典, 松田康, 周旭光, 徳永将史, 三宅厚志
Organizer
日本物理学会２０２０年秋季大会, オンライン開催, 2020年9月10日.
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