Experimental verification of novel quantum liquid crystal states in spin dimer magnets

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K03834
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 菊池 彦光 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (50234191)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: スピンフラストレーション / 量子液晶 / 反強磁性体

Outline of Annual Research Achievements

従来の磁性体では電子スピンに起因する双極子的な磁気モーメントが秩序することで巨視的な磁性が発生する。最近、四つあるいはそれ以上の極から構成される多重極モーメントに基づいた新しい状態(量子液晶状態)が生じる事が指摘され、従来の磁性体には見られない性質が生じる可能性が期待されている。本研究は、S=1スピンダイマー化合物Cs3V2Cl9および関連化合物を用いてスピンネマティック状態を実験的に検証することを目的としていた。作成したCs3V2Cl9単結晶の磁化率、磁化、比熱、強磁場磁化といった巨視的物性ならびに核磁気共鳴といった微視的情報を与える測定手段を用いて本化合物の磁気的性質をある程度明らかにすることができた。本化合物には温度に対して逐次相転移が起こる。低温での相転移は従来型の磁気相転移と考えられる。一方、高温で生じる相転移はスピンネマティック状態に対して期待されるような振る舞いが見られた。
スピンフラストレートした系におけるスピンネマティック状態の生起を研究するために、銅スピン (S=1/2)が磁性を担う磁性体である擬孔雀石Cu5(PO4)2(OH)4およびその関連物質の磁気的性質を調べた。本化合物は層状化合物で、層内に存在する銅スピンが三角形と五角形からなる非対称なフラストレートスピン格子を形成する。強磁場測定を行ったところ多段の磁化プラトーを見いだし、量子状態との関連を検討した。実験課題遂行に必要な、低温における磁気共鳴装置開発にも携わった。

Research Products

• [Journal Article] Magnetic Plateaux of the Frustrated Magnet, Pseudomalachite (2023)
  • Author(s): Kikuchi Hikomitsu、Fujii Yutaka、Ishikawa Yuya、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Widyaiswari Utami、Watanabe Isao
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Proc. 29th Int. Conf. Low Temperature Physics (LT29) Volume: 38 Pages: －
  • DOI: 10.7566/JPSCP.38.011127
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-field ESR Spectroscopy of a Quantum Spin Liquid System CuHpCl (2023)
  • Author(s): Yuji Inagaki, Takahiro Sakurai, Makoto Yoshida, Susumui Okubo, Hikomitsu Kikuchi, Keiichi Koyama and Hitoshi Ohta
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Proc. 29th Int. Conf. Low Temperature Physics (LT29) Volume: 38 Pages: －
  • DOI: 10.7566/JPSCP.38.011141
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multifrequency Electron Spin Resonance Using a High-Power Light Source Compact Gyrotron and Force-Detection System (2023)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Hideyuki Takahashi, Akira Okutani, Kanata Hayashi, Tomonori Sano, Kouhei Hirozawa, Takero Ito, Shota Masuda, Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta, Yoshinori Tatematsu, Takayuki Asano, Hikomitsu Kikuchi, Yutaka Fujii, Seitaro Mitsudo
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Proc. 29th Int. Conf. Low Temperature Physics (LT29) Volume: 38 Pages: －
  • DOI: 10.7566/JPSCP.38.011192
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic Excitation in the S = 1/2 Ising-like Antiferromagnetic Chain CsCoCl3 in Longitudinal Magnetic Fields Studied by High-field ESR Measurements (2023)
  • Author(s): Shojiro Kimura, Hiroaki Onishi, Kouichi Okunishi, Mitsuru Akaki, Yasuo Narumi, Masayuki Hagiwara, Koichi Kindo, and Hikomitsu Kikuchi
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 92 Pages: －
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.094701
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 逸見石の磁気共鳴 (2024)
  • Author(s): 林哉汰、倉知豊、石川裕也、古谷峻介、浅野貴行、光藤誠太郎、菊池彦光、山本孟、高橋英幸、大道英二、大久保晋、太田仁、藤井裕
  • Organizer: 第19回量子スピン系研究会
• [Presentation] ダブルディスク光駆動半導体スイッチを用いたPulsed-ESRのための高出力ミリ波のナノ秒パルス成形 (2024)
  • Author(s): 光藤誠太郎, 高橋雅人, 片山大和, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] α-Fe2O3/Pt多層膜におけるスピンポンピング効果と起電力 (2024)
  • Author(s): 服部冬馬, 福岡爽人, 川喜田圭祐, 石川裕也, 山口裕資, 菊池彦光, 藤井裕, 木俣基, 木村尚次郎, 菅大介, 大江純一郎, 増田啓人, 森山貴広
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] ESR と NMR からみた S=1/2 低次元反強磁性体Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 廣澤康平, 倉知豊, 丸山薫, 石川裕也, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 高橋英幸, 長澤直生, 山本孟, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] ESR and NMR studies of S = 1/2 low-dimensional antiferromagnet Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2 (2023)
  • Author(s): Kanata Hayashi, Yutaka Kurachi, Yuya Ishikawa, Shunsuke C. Furuya, Takayuki Asano, Seitaro Mitsudo, Hikomitsu Kikuchi, Hajime Yamamoto, Hideyuki Takahashi, Eiji Ohmichi, Susumu Okubo, Hitoshi Ohta, Yutaka Fujii
  • Organizer: International Society of Magnetic Resonance 2023 (ISMAR2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジャイロトロンを用いたパルスESR装置のための新しい光スイッチの特性評価 (2023)
  • Author(s): 高橋雅人, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 五角形と三角形から構成される格子上のフラストレート磁性体ルドジバイト(Cu5(PO4)2(OH)4)の磁性 (2023)
  • Author(s): 菊池彦光, 藤井裕, 小島駿平, 松尾晶, 金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 一次元系反強磁性体henmiliteにおけるESR局在モードの観測 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 倉知豊, 石川裕也, 古谷峻介, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 山本孟, 高橋英幸, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Development of cryogenic and high-frequency magnetic resonance apparatus (2023)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Hideyuki Takahashi Akira Fukuda, Kohei Hirozawa, Takero Ito, Seitaro Mitsudo, Takayuki Asano, Hikomitsu Kikuchi, Yoshinori Tatematsu, Sergey Vasiliev, Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta, Yutaka Fujii
  • Organizer: International Conference on Sustainable Development of Coastal Area Resources Based on Local Wisdom
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pulsed-ESR装置のための高出力ミリ波用ダブルディスク光駆動半導体スイッチの開発 (2023)
  • Author(s): 光藤誠太郎, 高橋雅人, 片山大和, 西尾英道, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2023）
• [Presentation] ESR/NMR共用円筒型共振器を用いた極低温・高磁場領域におけるENDOR測定の試み (2023)
  • Author(s): 廣澤康平, 石川裕也, 林哉汰, 倉知豊, 菊池彦光, 光藤誠太郎, 藤井裕
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2023）
• [Presentation] 二本足梯子格子Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2におけるESR局在モードの観測の可能性 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 倉知豊, 石川裕也, 古谷峻介, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 山本孟, 高橋英幸, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本赤外線学会 第32回研究発表会
• [Presentation] 2層Si板による反射防止構造を用いたミリ波短パルス成形装置の検討 (2023)
  • Author(s): 高橋雅人, 片山大和, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本赤外線学会 第32回研究発表会
• [Presentation] 低次元磁性体を対象とした極低温・高周波磁気共鳴装置の開発 (2023)
  • Author(s): 石川裕也, 林哉汰, 高橋英幸, 山本孟, 福田昭, 古谷峻介, 廣澤康平, 伊藤丈朗, 光藤誠太郎, 浅野貴行, 菊池彦光, 立松芳典, Sergey Vasiliev, 大道英二, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 第33回日本MRS-J年次大会
• [Presentation] 反強磁性薄膜α-Fe2O3 を用いたコンパクトジャイロトロン磁気共鳴システムの PID 制御による感度改善評価及び多周波測定 (2023)
  • Author(s): 福岡 爽人, 服部 冬馬, 川喜田 圭祐, 森山 貴広, 石川 裕也, 山口 裕資, 菊池 彦光, 藤井 裕
  • Organizer: 2023年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会