2020 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical study on quantum spin liquids and their interfaces
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19K03729
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
小野田 繁樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (70455335)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | フラストレート磁性体 / 量子スピン液体 / 量子スピンアイス / 理論 / 界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子スピン液体では、局在電子スピンが絶対零度でも磁気秩序が生じない一方、非自明な長距離トポロジカル秩序と新しいゲージ構造が発現する。この量子スピン液体の表面・界面では、界面を挟んだトポロジー変化のために、様々な新しい現象の発現が期待される。
量子スピンアイスにおけるU(1)量子スピン液体相では、磁化のモノポールがエネルギーギャップをもったボーズ粒子として出現し、U(1)ゲージ場（仮想電磁場）が顕在化する。この仮想電磁場は対称性により現実の電磁場と双線形に結合し、印加電場はU(1)ゲージ場の電場成分を誘起しうる。この仮想電場は磁化のモノポールに対して、通常の荷電粒子にとっての磁場の役割を果たす。本年度は、昨年度までに展開した電場下でのモノポール輸送現象の理論に基づいて、実験グループと共同でその実験的検証のための準備を整えた。（コロナ禍のために実験の遂行は遅れている。）
高温量子スピンアイスの候補物質であるスピネル型イリジウム酸化物Ir2O4に対して、その関連物質との界面の電子状態を大規模第一原理計算により推進した。第一段階である構造最適化のための計算をほぼ終えた。
物質の界面においては、構造的な歪みが生じる。量子スピンアイスの界面においても、歪みは局在磁気モーメントの電気四重極モーメントと結合し、その低エネルギー自由度に影響をもたらす。そこで、量子スピンアイス系における歪みと電気四重極モーメントの相互作用の効果を取り込む理論を構築した。その基礎的応用として、量子スピンアイス系Tb2Ti2O7における超音波の理論を構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
第一原理計算による高温量子スピンアイス候補物質Ir2O4の界面・超構造の電子状態計算は予定通り進捗している。また、量子スピンアイス系における磁性・電気四重極と歪みとの結合効果について新たな実験結果に関連した理論計算は所期の計画にはなかったものである。一方、モノポール輸送現象に関しては、対応する実験的検証に関する共同研究がコロナ禍のために遅延しており、予定していた比較検討ができていないことから、理論の論文の完成も遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナ禍での緊急事態宣言が今後も発令され実験的検証が遅れる可能性を鑑み、モノポール輸送現象については理論の枠組みを強化し、理論的提案のみを扱う論文を先に出版する。
Ir2O4とその関連物質の超構造体の大規模第一原理計算については、オンサイトクーロン斥力による磁性を考慮した計算を進める。Ir磁気モーメント間の磁気的相互作用を求め、超構造でのIr2O4が量子スピンアイス系として振る舞うかどうかを吟味する。特に界面における歪みが局在磁気モーメントに及ぼす影響を吟味する。必要に応じて、基板で定められる面内項指定数を調節し、U(1）量子スピン液体・磁気秩序相が実現する条件を探索する。
大規模第一原理計算が完了した際には、2つの異なる量子スピンアイス系が接合した系の量子モンテカルロ計算に計算資源をつぎ込み、U(1）量子スピン液体と磁気秩序相の界面の性質を理論的に調べる。
Tb2Ti2O7における超音波の理論に関して、実験結果との比較検討を進め、論文を出版する。さらに、Pr2Zr2O7など他の量子スピンアイス系にも応用する。
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| Causes of Carryover |
予定していた国内外での国際会議・ワークショップ・共同研究のための短期・長期の出張が、コロナ禍のためにすべてキャンセルになったため、昨年度から引き続き、主に旅費に大きな未使用額が生じている。未使用額は、次年度後半にコロナ禍が収まった折には、出張を計画する。また、コロナ禍で在宅勤務が増えたり、出張ができず共同研究等が推進しづらくなる分、これらをサポートするための物品購入にも使用する。
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