Exotic quantum spin states in square-kagome lattice antiferromagnets

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03453
• 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: Japan Atomic Energy Agency (2022-2023); Tokyo University of Science (2021)
• Principal Investigator: Fujihara Masayoshi 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (60722840)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 正方カゴメ格子 / 量子スピン液体 / 低次元磁性体 / フラストレーション / ミュオンスピン回転 / 中性子散乱 / 人工鉱物 / 低温合成

Outline of Final Research Achievements

A new candidate material Na3Cu6BiO4(SO4)5, a spin-1/2 square kagome lattice (SKL) antiferromagnet, has been successfully synthesized. Experiments using quantum beams with complementary properties suggest that an exotic spin state different from the previously reported SKL antiferromagnet KCu6AlBiO4(SO4)5Cl is realized in Na3Cu6BiO4(SO4)5.
In the process of searching for new SKL materials, we found two interesting one-dimensional quantum magnets: Cd2Cu2(PO4)2SO4・5H2O is possibly the first J1-J2 quantum spin antiferromagnetic chain material with a spin gap. KCuPO4・H2O is a weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet suitable for observing dimensional crossover behavior.

Free Research Field

固体物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

「量子スピン正方カゴメ格子反強磁性体」は、実験・ 理論共に開拓が始まったばかりの研究領域である。本研究では、２例目の候補物質Na3Cu6BiO4(SO4)5を見出し、既報物質とは異なるスピン状態を観測した。本発見は、正方カゴメ格子のスピン状態の理解の深化に資するものである。また、物質探索過程で見出された２種類の量子磁性体は、それぞれの系においてブレークスルーをもたらす可能性がある。
低次元量子スピン系の理論研究では、次世代技術の革新に資する量子状態の実現が予想されているが、実際の物質で観測されることは稀である。本研究はそのようなスピン状態の探索領域を拡張するものであり、社会的にも意義深い。