キタエフスピン液体候補物質におけるトポロジカル相転移探索

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02600
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 水上 雄太 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (80734095)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: キタエフ模型 / 量子スピン液体 / マヨラナ励起 / トポロジカル転移 / 長時間緩和法 / 比熱

Outline of Annual Research Achievements

近年理論的に提案されたキタエフ模型は、ハニカム格子上に配置された1/2スピン間にボンド依存したイジング型の相互作用が働く量子スピン模型である。この模型は、その基底状態として量子スピン液体状態を厳密解に持つ稀有な系である。この量子スピン液体状態であるキタエフ量子スピン液体は、マヨラナフェルミオン、Z2渦、非可換エニオンといったエキゾチックな創発準粒子の舞台となっている。本研究の目的は、トポロジカル相を規定する励起ギャップを決定することで、現実のキタエフ量子スピン液体候補物質における励起やトポロジカル相に対する理解を飛躍的に向上させることである。
本年度は、ハニカム格子面内で磁場を回転させた際の比熱の磁場角度依存性を測定した。その結果、比熱における顕著な6回振動を観測した。特に、反強磁性相が抑制された7T以上での比熱の振る舞いは、キタエフ模型において理論的に期待される遍歴マヨラナ励起のギャップの磁場角度依存性と、磁場強度依存性と非常によく一致することが分かった。
さらに、このキタエフ量子スピン液体状態における欠陥の影響を調べるために、電子線照射を用いた格子欠陥導入を行った。その結果、比熱において未照射の試料には存在しなかった温度の二乗に比例する項が生じた。この結果は、遍歴マヨラナ励起が欠陥の影響で局在的性質を帯びる所謂アンダーソン局在として解釈できることが分かった。
一方、これらの結果においては、10T以上のより高磁場領域においてはキタエフ量子スピン液体状態から期待されるものから少し外れる振る舞いを観測している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、ハニカム格子面内で磁場を回転させた際の比熱の磁場角度依存性を測定し、比熱における顕著な6回振動を観測した。反強磁性相が抑制された7T以上での比熱の振る舞いは、キタエフ模型において理論的に期待される遍歴マヨラナ励起のギャップの磁場角度依存性と、磁場強度依存性と非常によく一致している。
さらに、このキタエフ量子スピン液体状態における欠陥の影響を調べるために、電子線照射を用いた格子欠陥導入を行ったところ、比熱において未照射の試料には存在しなかった温度の二乗に比例する項が生じた。この結果は、遍歴マヨラナ励起が欠陥の影響で局在的性質を帯びる所謂アンダーソン局在として解釈できることが分かった。
キタエフ量子スピン液体状態を実現する候補物質はまだ少なく、これらの結果はキタエフ量子スピン液体状態における遍歴マヨラナ励起のギャップの磁場角度依存性を観測した初めての例と言える。さらにこれらの結果は、先行研究の熱ホール電導度測定において観測された遍歴マヨラナ励起によるカイラルエッジ流とコンシステントである。

Strategy for Future Research Activity

本研究においては、複数のキタエフ量子スピン液体候補物質に対してトポロジカル相を規定する励起ギャップの磁場角度依存性を明らかにする。これにより励起が変化すると期待されるトポロジカル相転移を検出し、現実の物質における詳細な相図を構築することでキタエフ量子スピン液体やその準粒子励起に対する理解を飛躍的に向上させる。
今後は複数のキタエフ量子スピン液体候補物質に対して測定を試み、キタエフ項の符号や非キタエフ項が相図に与える影響を調べる。比熱測定用の試料ステージは応募者が自作したコンパクトな高精度比熱測定用セルを用いる。この測定系により応募者は既存の商用装置の二桁以上上回る分解能を実現している。12Tまでの高磁場かつ100ミリケルビンの極低温環境下において、比熱の精密測定が可能となることが期待される。本研究で用いるalpha-RuCl3の単結晶試料は、応募者らの先行研究に引き続き共同研究者より提供頂いたものを用いる。さらに、YbCl3については当研究グループにおいて化学蒸気輸送法により作製する予定である。YbCl3の多結晶試料は既に入手しており、単結晶の結晶成長条件についても把握している状況である。従って、alpha-RuCl3のみならずYbCl3についても単結晶試料を用いた測定が可能であると考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Sciences(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Chinese Academy of Sciences
• [Int'l Joint Research] University of Colorado at Boulder(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Colorado at Boulder
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Ecole Polytechnique
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
  • Country Name: POLAND
  • Counterpart Institution: Polish Academy of Sciences
• [Int'l Joint Research] Radboud University(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: Radboud University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 1
• [Journal Article] Strongly correlated superconductivity in a copper-based metal-organic framework with a perfect kagome lattice (2021)
  • Author(s): Takenaka T.、Ishihara K.、Roppongi M.、Miao Y.、Mizukami Y.、Makita T.、Tsurumi J.、Watanabe S.、Takeya J.、Yamashita M.、Torizuka K.、Uwatoko Y.、Sasaki T.、Huang X.、Xu W.、Zhu D.、Su N.、Cheng J.-G.、Shibauchi T.、Hashimoto K.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Pages: eabf3996
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf3996
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bond Directional Anapole Order in a Spin-Orbit Coupled Mott Insulator Sr2(Ir1-xRhx)O4 (2021)
  • Author(s): Murayama H.、Ishida K.、Kurihara R.、Ono T.、Sato Y.、Kasahara Y.、Watanabe H.、Yanase Y.、Cao G.、Mizukami Y.、Shibauchi T.、Matsuda Y.、Kasahara S.
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 11 Pages: 11021
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-pressure phase diagrams of FeSe1-xTex: correlation between suppressed nematicity and enhanced superconductivity (2021)
  • Author(s): Mukasa K.、Matsuura K.、Qiu M.、Saito M.、Sugimura Y.、Ishida K.、Otani M.、Onishi Y.、Mizukami Y.、Hashimoto K.、Gouchi J.、Kumai R.、Uwatoko Y.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 381
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20621-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Suppression of anharmonic phonons and s-wave superconductivity by defects in the filled skutterudite LaRu4As12 (2020)
  • Author(s): Mizukami Y.、Ko?czykowski M.、Tanaka O.、Juraszek J.、Henkie Z.、Cichorek T.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 43428
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.043428
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dichotomy between orbital and magnetic nematic instabilities in BaFe2S3 (2020)
  • Author(s): Hosoi S.、Aoyama T.、Ishida K.、Mizukami Y.、Hashizume K.、Imaizumi S.、Imai Y.、Ohgushi K.、Nambu Y.、Kimata M.、Kimura S.、Shibauchi T.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 43293
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.043293
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bose-Einstein condensation superconductivity induced by disappearance of the nematic state (2020)
  • Author(s): Hashimoto Takahiro、Ota Yuichi、Tsuzuki Akihiro、Nagashima Tsubaki、Fukushima Akiko、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Shibauchi Takasada、Shin Shik、Okazaki Kozo
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Pages: eabb9052
  • DOI: 10.1126/sciadv.abb9052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-Fermi liquid transport in the vicinity of the nematic quantum critical point of superconducting FeSe1?xSx (2020)
  • Author(s): Huang W. K.、Hosoi S.、Culo M.、Kasahara S.、Sato Y.、Matsuura K.、Mizukami Y.、Berben M.、Hussey N. E.、Kontani H.、Shibauchi T.、Matsuda Y.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 33367
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033367
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Divergent Nematic Susceptibility near the Pseudogap Critical Point in a Cuprate Superconductor (2020)
  • Author(s): Ishida Kousuke、Hosoi Suguru、Teramoto Yuki、Usui Tomohiro、Mizukami Yuta、Itaka Kenji、Matsuda Yuji、Watanabe Takao、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 064707～064707
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.064707
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 比熱測定から見るキタエフ量子スピン液体のマヨラナ励起 (2021)
  • Author(s): 水上雄太
  • Organizer: ワークショップ（4）「超伝導物質、トポロジカル物質」 SCTM2020
  • Invited
• [Presentation] 強相関超伝導体の電子対形成に関する実験研究 (2021)
  • Author(s): 水上雄太
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Bond directional anapole state in a spin-orbit coupled Mott insulator Sr2(Ir1－xRhx)O4 (2021)
  • Author(s): H. Murayama, K. Ishida, R. Kurihara, T. Ono, Y. Sato, Y. Kasahara, H. Watanabe, Y. Yanase, G. Cao, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and S. Kasahara
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure electronic phase diagrams in FeSe1-xTex (2021)
  • Author(s): K. Mukasa, K. Matsuura, M. Qiu, M. Saito, Y. Sugimura, K. Ishida, M. Otani, Y. Onishi, Y. Mizukami, K. Hashimoto, J. Gouchi, R. Kumai, Y. Uwatoko, and T. Shibauchi
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-energy quasiparticle excitations in the spin-triplet superconductor UTe2 (2021)
  • Author(s): K. Ishihara, M. Roppongi, M. Kobayashi, Y. Mizukami, H. Sakai, Y. Haga, K. Hashimoto, and T. Shibauchi
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-energy quasiparticle excitations in a BiCh2-based superconductor studied by magnetic penetration depth measurements (2021)
  • Author(s): M. Roppongi, K. Ishihara, Y. Mizukami, K. Hashimoto, K. Hoshi, Y. Mizuguchi and T. Shibauchi
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡を用いたSrVO3における強磁性ドメインの観察 (2021)
  • Author(s): 影山遥一, 児玉壮平, 水上雄太, 谷内敏之, 橋本顕一郎, Arnaud Fouchet, Andres F. Santander-Syro, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] スピントリプレット超伝導体UTe2における磁場侵入長測定 (2021)
  • Author(s): 石原滉大, 六本木雅生, 小林雅之, 水上雄太, 橋本顕一郎, 酒井宏典, 芳賀芳範, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Sr2Ir1-xRhxO4におけるボンド方向型アナポール秩序 (2021)
  • Author(s): 笠原成, 村山陽奈子, 石田浩祐, 栗原遼, 小野孝浩, 佐藤雄貴, 笠原裕一, 渡邉光, 柳瀬陽一, G. Cao, 水上雄太, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] BiCh2系超伝導体における磁場侵入長測定 (2021)
  • Author(s): 六本木雅生, 石原滉大, 水上雄太, 星和久, 水口佳一, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3におけるトポロジカル相転移の探索 (2021)
  • Author(s): 鵜飼柚希, 笠原裕一, 末次祥大, 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: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における磁場中比熱の異方性 (2021)
  • Author(s): 原澤龍平, 田中桜平, 水上雄太, 栗田伸之, 田中秀数, 山田昌彦, 藤本聡, 笠原裕一, 松田祐司, Eun-Gook Moon, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] キタエフ物質α-RuCl3における電子線照射の影響 (2021)
  • Author(s): 今村薫平, 田中桜平, 水上雄太, 原澤龍平, 橋本顕一郎, 栗田伸之, 田中秀数, 山田昌彦, 藤本聡, 松田祐司, E.-G. Moon, M. Konczykowski, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光によるFe(Se, S)の非ネマティック相における超伝導状態の研究 (2021)
  • Author(s): 長島椿, 橋本嵩広, Sahand Najafzadeh, 大内俊一郎, 鈴木剛, 福島昭子, 笠原成, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝 禎, 辛埴, 岡﨑浩三
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] FeSe1-xTexの単結晶試料合成と電子相図の研究 (2020)
  • Author(s): 斎藤三樹彦, 松浦康平, 向笠清隆, 杉村優一, 大谷椋, M. Qiu, 石田浩祐, 大西由吾, 水上雄太, 橋本顕一郎, 熊井玲児, 郷地順, 上床美 也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 鉄系超伝導体FeSe1-xTexの圧力下電子相図 (2020)
  • Author(s): 向笠清隆, 松浦康平, 杉村優一, 大谷椋, M. Qiu, 斎藤三樹彦, 石田浩祐, 大西由吾, 水上雄太, 橋本顕一郎, 郷地順, 上床美也, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 鉄系超伝導体Fe(Se,Te)におけるネマティック量子臨界点 (2020)
  • Author(s): 石田浩祐, 大西由吾, 辻井優哉, 向笠清隆, M. Qiu, 斎藤三樹彦, 松浦康平, 杉村優一, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] FeSe1-xSx (x = 0.18)における高圧下77Se-NMR測定 (2020)
  • Author(s): 中村昂矢, 桑山昂典, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] FeSe1-xSx (x = 0.05)における高圧下77Se-NMR測定 (2020)
  • Author(s): 猪股和也, 中村昂矢, 桑山昂典, 松浦康平, 水上雄太, 笠原成, 松田祐司, 芝内孝禎, 上床美也, 藤原直樹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/yutamizukamipage/publication