Theoretical and Numerical Study on the Quantum Spin Liquid and Exotic Excitation of the Kagome-Lattice Antiferromagnet

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K03866
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: Sakai Toru 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (60235116)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 利根川 孝 神戸大学, 理学研究科, 名誉教授 (80028167) ; 中野 博生 兵庫県立大学, 理学研究科, 准教授 (00343418)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 量子スピン系 / 量子スピン液体 / スピンネマティック / 磁化プラトー / スピンギャップ

Outline of Final Research Achievements

The low-dimensional quantum spin systems like the Kagome-lattice antiferromagnet were investigated using the large-scale numerical diagonalization and the finite-size scaling analyses like the conformal field theory and the level spectroscopy. As a result, it was revealed that the S=1 antiferromagnetic chain, the S=1/2 spin ladder and the S=1/2 bond-alternating chain etc. in the presence of the easy-axis anisotropy would exhibit the spin nematic phase in the external magnetic field. In addition, it was found that the one-dimensional quatnum spin systems with the competing anisotropies would exhibit the translational symmetry broken magnetization plateau.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高温超伝導の起源として注目されている量子スピン液体と、従来の長距離秩序の中間ともいうべき、スピンネマティック相が注目されている。従来の理論においては、スピンネマティック相を引き起こすメカニズムは、biquadratic相互作用か、スピン・フラストレーションに限られていたが、本研究により、異方性と磁場だけでスピンネマティック相をもたらす新しいメカニズムが示された。これにより、量子スピン液体研究の新しい方向性が見いだされたと考えられる。