Elucidation of the Origin of Ripple State and its Feasibility in Real Materials - Creation of New Magnetic Structured Materials

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K14665
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
• Principal Investigator: Shimokawa Tokuro 沖縄科学技術大学院大学, 量子理論ユニット, スタッフサイエンティスト (20633853)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 数値計算 / フラストレーション / スピン系 / 多重Q秩序状態 / スピン液体 / 厳密対角化法 / モンテカルロ法

Outline of Final Research Achievements

We have studied quantum and thermal magnetic phenomena born from a ring degeneracy utilizing some non-biased numerical methods. We found that novel multiple-Q states such as a ripple state and sublattice Skyrmion-lattice states are realized in the J1-J2 classical honeycomb lattice magnets. The S=1/2 bilayer breathing Kagome Heisenberg model, an effective model of the quantum spin liquid candidate Ca10Cr7O28, is found to realize a spiral spin liquid state at finite temperature. We have developed and open-sourced a new exact diagonalization code QS3 specialized for high magnetic fields and have obtained numerical evidence for spiral spin liquid and U(1) spin liquid states in high magnetic fields.

Free Research Field

磁性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

理論的・数値的取り扱いが難しいフラストレート磁性体における特殊なリング型縮退構造に対する熱・量子揺らぎの効果を厳密数値計算を通して調べたという意味で学術的意義は大きいと言える。また本研究成果の一部であるハニカム系での新しいタイプの多重Q秩序状態の発見は、省電力ナノデバイスなどへの応用の観点からも重要である。特に波紋秩序状態は伝導電子と結合することで誘電分極渦を作り出すことが可能な特殊なスピンテクスチャを併せ持つため、今後の工学的応用が期待される。また本研究で開発・高度化・オープンソース化された厳密対角化コードは物性物理分野の枠組みをも超えた更なる利用が期待される。