Quantum phase and inelastic neutron scattering

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K03727
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 伊藤 晋一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00221771)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 金属磁性 / ベリー位相 / スピンカイラリティー / スピンダイナミクス / 磁気励起 / 中性子非弾性散乱

Outline of Annual Research Achievements

スピンカイラリティーが予想される金属反強磁性体FeMnでは、Fe0.5Mn0.5（磁気相転移温度TN=465.5K）とFe0.7Mn0.3（TN=412K）について、中性子非弾性散乱実験をTNより低温及び高温で広いエネルギー範囲で実施した。低温では、反強磁性スピン波の分散関係を示し、スピン波速度cは、エネルギーEとともに増大する。波数q=0ではcはTNでスケールされる。ギャップエネルギーが大きいことからスピンカイラリティーの存在が示唆される。励起のエネルギー幅はq方向はEに比例し、積分強度もEに比例し、これらは金属磁性体の振る舞いに一致する。E方向のエネルギー幅はcのE依存性に対応している。Fe0.7Mn0.3のエネルギー幅はFe0.5Mn0.5よりも大きいが、磁気モーメントの値の分布及びTNの大小関係から推定されてきたFe0.7Mn0.3のランダムネスの大きさが証明された。E>150meVの励起は、TNの上下で温度変化しないことから、個別励起であるストーナー励起であることが結論される。従来の研究では、スピン波とストーナー励起の相互作用が論じられてきたが、この実験はストーナー励起を単独で観測したものである。現在、出版準備中である。
研究期間全体では上述の最終年度研究実績に加えて、強磁性金属Nd2Mo2O7及び反強磁性金属Mn3Snの実験により、ベリー曲率の中性子非弾性散乱による検出が普遍的なものであることを示した。CeTe3及びCeTe2Seでは磁気異方性と反対称性スピン軌道相互作用との関係を議論した。この研究の中心的実験技術はJ-PARC MLFに設置された高分解能チョッパー分光器HRCによる中性子非弾性散乱であり、HRCの高性能化に向けた基礎研究をすすめとともに、クライオファーネスを整備して4-700Kの広い温度領域での中性子非弾性散乱実験を可能にした。

Research Products

• [Journal Article] Local structural change of V-T-Cr alloy hydrides dependent on hydrogen absorption/desorption cycles (2024)
  • Author(s): Kazutaka Ikeda, Sho Sashida, Toshiya Otomo, Hidetoshi Ohshita, Takashi Honda, Takafumi Hawai, Hiraku Saito, Shinichi Itoh, Tetsuya Yokoo, Kouji Sakaki, Hyunjeong Kim, Yumiko Nakamura, Akihiko Machida, Wojciech Slawinski
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 51 Pages: 79 - 87
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.10.318
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field control of quasiparticle decay in a quantum antiferromagnet (2024)
  • Author(s): Shunsuke Hasegawa, Shinichiro Asai, Barry Winn, Shinichi Itoh, and Takatsugu Masuda
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Pages: 125(1)-125(7)
  • DOI: 10.1038/s41467-023-44435-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sample environment of the HRC spectrometer at J-PARC (2024)
  • Author(s): D. Ueta, S. Itoh, T. Yokoo, T. Masuda, T. Nakajima, S. Asai, H. Saito, D. Kawana, R. Sugiura, T. Asami, Y. Ihata, H. Tanino, S. Yamauchi, and S. Torii
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 41 Pages: 011008(1)-(5)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.41.011008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inelastic neutron scattering study of the eight-spin zigzag-chain compound KCu4P3O12: Confirmation of validity of the data-driven technique based on machine learning (2024)
  • Author(s): Masashi Hase, Ryo Tamura, Koji Hukushima, Shinichiro Asai, Takatsugu Masuda, Shinichi Itoh, and Andreas Donni
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 109 Pages: 094434(1)-(8)
  • DOI: 10.1103/ PhysRevB.109.094434
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-step topological transitions among meron/anti-meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet (2024)
  • Author(s): H. Yoshimochi, R. Takagi, J. Ju, N. D. Khanh, H. Saito, H. Sagayama, H. Nakao, S. Itoh, Y. Tokura, T. Arima, S. Hayami, T. Nakajima, S. Seki
  • Journal Title: Nature Physics Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41567-024-02445-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Neutron scattering study of dimerized 4f1 intermetallic compound Ce5Si3 (2024)
  • Author(s): Daichi Ueta, Yuki Iwata, Riki Kobayashi, Keitaro Kuwahara, Takatsugu Masuda, and Shinichi Itoh
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 109 Pages: 205127(1)-(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.109.205127
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inelastic neutron scattering in weakly coupled triangular spin tubes CsCrF4 (2023)
  • Author(s): Hodaka Kikuchi, Shinichiro Asai, Hirotaka Manaka, Masato Hagihala, Shinichi Itoh, Takatsugu Masuda
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 107 Pages: 184405(1)-(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.184405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct observations of the spin fluctuations in hedgehog-anti-hedgehog spin lattice states in MnSi1-xGex (x = 0.6 and x = 0.8) (2023)
  • Author(s): Seno Aji, Tatsuro Oda, Yukako Fujishiro, Naoya Kanazawa, Hiraku Saito, Hitoshi Endo, Masahiro Hino, Shinichi Itoh, Taka-hisa Arima, Yoshinori Tokura, and Taro Nakajima
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 108 Pages: 054445(1)-(10)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108. 054445
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-plane anisotropy of the single-q and multiple-q ordered phases in the antiferromagnetic metal CeRh2Si2 (2023)
  • Author(s): Hiraku Saito, Fusako Kon, Hiroyuki Hidaka, Hiroshi Amitsuka, Cho Kwanghee, Masato Hagihala, Takashi Kamiyama, Shinichi Itoh, and Taro Nakajima
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 108 Pages: 094440(1)-(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108. 094440
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Q-dependent electron-phonon coupling induced phonon softening and non-conventional critical behavior in the CDW superconductor LaPt2Si2 (2023)
  • Author(s): E. Nocerino, U. Stuhr, I. San Lorenzo, F. Mazza, D.G. Mazzone, J. Hellsvik, S. Hasegawa, S. Asai, T. Masuda, S. Itoh, A. Minelli, Z. Hossain, A. Thamizhavel, K. Lefmann, Y. Sassa, M. Mansson
  • Journal Title: Journal of Science: Advanced Materials and Devices Volume: 8 Pages: 100621(1)-(10)
  • DOI: 10.1016/j.jsamd.2023. 100621
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-step topological transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet (2024)
  • Author(s): H. Yoshimochi, R. Takagi, J. Ju, N. D. Khanh, H. Saito, H. Sagayama, H. Nakao, S. Itoh, Y. Tokura, T. Arima, S. Hayami, T. Nakajima, S. Seki
  • Organizer: International Symposium on Quantum Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-step topological transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet (2024)
  • Author(s): H. Yoshimochi, R. Takagi, J. Ju, N. D. Khanh, H. Saito, H. Sagayama, H. Nakao, S. Itoh, Y. Tokura, T. Arima, S. Hayami, T. Nakajima, S. Seki
  • Organizer: CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron scattering studies for RMnO3 and RFeO3 in 2D-THA system (2023)
  • Author(s): Shinichiro Yano, Kazuki Iida, Daichi Ueta, Chinwei Wang, Wei-Tin Chen, Richard Mole, Jason S Gardner, Despina Louca, Shinichi Itoh
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023 (SCES2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分解能チョッパー分光器による物質のダイナミクスの研究 (2023)
  • Author(s): 伊藤晋一、益田隆嗣、植田大地、横尾哲也、中島多朗、浅井晋一郎、齋藤開、川名大地、杉浦良介、浅見俊夫、井畑良明、谷野弘明
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] スピンダイマー形成化合物Ce5Si3の磁場中磁気励起 (2023)
  • Author(s): 植田大地、伊藤晋一、小林理気、桑原慶太郎、益田隆嗣
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 水素液化温度領域で巨大な磁気熱量効果を生み出す結晶場準位 (2023)
  • Author(s): 寺田典樹、間宮広明、斎藤開、中島多朗、山本貴史、寺嶋健成、竹屋浩幸、酒井治、伊藤晋一、高野義彦、長谷正司、北澤英明
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
  • Invited
• [Presentation] 磁鉄鉱の中性子非弾性散乱研究 (2023)
  • Author(s): Zheyuan Liu、浅井晋一郎、伊藤晋一、益田隆嗣
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] Magnetic Structures of GdCo2B2 by Neutron Powder Diffraction (2023)
  • Author(s): S. R. Larsen, N. Terada, H. Mamiya, H. Saito, T. Nakajima, S. Itoh, and H. Kitazawa
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] J-PARC MLFにおける窒素ガス充填の中性子ビームモニターのコミッショニング (2023)
  • Author(s): 大下英敏、横尾哲也、伊藤晋一、金子直勝、植田大地、本田孝志、大友季哉、瀬谷智洋
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] スピンダイマー形成化合物Ce5Si3の磁気励起、 (2023)
  • Author(s): 磁気励起、植田大地、小林理気、桑原慶太郎、益田隆嗣、伊藤晋一
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 反強磁性体Mn3TaO8における中性子非弾性散乱実験 (2023)
  • Author(s): 菊地帆高、長谷川舜介、浅井晋一郎、木村健太、木村剛、伊藤晋一、益田隆嗣
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Inelastic Neutron Scattering Study on Magnetite, (2023)
  • Author(s): Zheyuan Liu, Shinichiro Asai, Shinichi Itoh, Takatsugu Masuda
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Spin dynamics in easy-plane antiferromagnet CsFeCl3 in magnetic fields (2023)
  • Author(s): Zijun Wei, Shinichiro Asai, Hodaka Kikuchi, Shinichi Itoh, Takatsugu Masuda
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会