2021 Fiscal Year Research-status Report
High-quality single crystal growth of honeycomb lattice quantum magnets and experimental verification of the field-induced quantum phase
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19K03711
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
栗田 伸之 東京工業大学, 理学院, 助教 (80566737)
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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子スピン液体 / キタエフ模型 / 磁場誘起量子相 / 純良単結晶育成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はα-RuCl3の磁場誘起量子相で発現する臨界現象を実験的に明らかにすることである。そのためには非本質的な磁気秩序をもたらす積層欠陥の影響を最小限に抑えた純良単結晶が必要不可欠となる。しかし、一昨年前から粉末原料に何らかの変化が生じ従来の育成方法ではα-RuCl3の純良単結晶を得ることが困難となった。昨年度に引き続き本年度の前半は結晶性の良い部分のみを収集し何度も合成を繰り返す方法で解決を試みた。しかし以前得られていた単結晶の純良度（ab面と平行方向に容易に劈開し、その劈開面には金属光沢を有する）には至らなかった。そこで、熱処理後に僅かに得られるフィルム状のα-RuCl3単結晶を取集し再合成する方法に切り替えた。現時点では十分な量の単結晶が得られていないため次年度に再合成を行う予定である。
本年度は共同研究で行ったα-RuCl3の磁場誘起量子相に関する3つの研究成果が学術雑誌（Nature Physicsに2報、Scienceに1報）に掲載された。1つ目の論文では、先行研究よりも詳細な温度・磁場領域でα-RuCl3の熱ホール効果測定を行い、10Tを超える広い磁場領域で半整数熱量子ホール効果が観測されることを示した。2つ目の論文では、α-RuCl3の半整数熱量子ホール効果の符号が特定の磁場方向で反転することを見出した。理論研究との比較により本物質の磁場誘起量子相におけるトポロジーが実験的に初めて明らかなった。３つ目の論文では、様々な磁場方向での精密比熱測定により励起ギャップの磁場方向依存性を明らかにした。本研究はマヨラナ粒子系におけるバルク状態の性質を実験的に初めて検出したという学術的意義を有する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度に引き続き、α-RuCl3の純良単結晶を得ることが困難な状況となっている。そのため当初の研究計画と比較し遅れが生じている。一方、共同研究で行ったα-RuCl3に関する研究成果がScienceに1報およびNature Physicsに2報掲載された。以上を総合的に判断し、進捗状況は「やや遅れている」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度から開始したα-RuCl3の単結晶育成方法（フィルム状の純良単結晶を収集し再結晶化させる方法）を継続して行う。得られた純良単結晶試料を用いてHc付近での振る舞いに焦点をあてて磁化・比熱・ESR測定を行う。これまでに得られた結果を精査し、論文執筆を含む成果発表を行う。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響により参加した学会・研究会の全てがオンラインで開催された。そのため出張に伴う費用が当初の予定より少なくなった。次年度使用額については学会参加等の成果発表に伴う費用に充当する予定である。
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[Journal Article] Thermodynamic evidence for a field-angle-dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid2022
Author(s)
O. Tanaka, Y. Mizukami, R. Harasawa, K. Hashimoto, K. Hwang, N. Kurita, H. Tanaka, S. Fujimoto, Y. Matsuda, E.-G. Moon, T. Shibauchi
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 18
Pages: 429-435
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material candidate α-RuCl32021
Author(s)
T. Yokoi, S. Ma, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Shibauchi, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, C. Hickey, S. Trebst, and Y. Matsuda
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Journal Title
Science
Volume: 373
Pages: 568-572
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] 極低温下でのキタエフ候補物質α-RuCl3の磁場角度分解比熱測定2022
Author(s)
今村薫平, 水上雄太, 吉田悠生, 橋本顕一郎, 田中桜平, 原澤龍平, 栗田伸之, 田中秀数, 藤本聡, 山田昌彦, 村山陽奈子, 笠原裕一, 松田祐司. Moon, 芝内孝禎,
Organizer
日本物理学会（2022年年次大会）
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[Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における磁場誘起トポロジカル相転移2022
Author(s)
神村真志, 下邨真輝, 鵜飼柚希, 末次祥大, 浅場智也, 笠原裕一, 栗田伸之, 田中秀数, 芝内孝禎, 那須譲治, 求幸年, 松田祐司
Organizer
日本物理学会（2022年年次大会）
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[Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における量子相転移の観測2021
Author(s)
鵜飼柚希, 下邨真輝, 末次祥大, 笠原裕一, 浅場智也, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
Organizer
日本物理学会（2021年秋季大会）
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[Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3の磁場中熱伝導測定2021
Author(s)
下邨真輝, 鵜飼柚希, 末次祥大, 笠原裕一, 浅場智也, 村山陽奈子, 栗田伸之, 田中秀数, 橋本顕一郎, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
Organizer
日本物理学会（2021年秋季大会）
