Theoretical study on pyrochlore quantum spin liquids and their response to external fields and strain

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03540
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 小野田 繁樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (70455335)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: フラストレート磁性体 / 量子スピン液体 / 量子スピンアイス / 理論 / 界面

Outline of Annual Research Achievements

非自明なトポロジー・長距離量子エンタングルメント・新しいゲージ構造を示す磁性体として理論的に確立された量子スピン液体は、トポロジーを利用した新量子技術の基幹としても期待されるものの、その実験的検証方法が十分に理解されていない。本研究では、トポロジー変化を示す量子スピン液体界面に着眼し、その実験的検証方法を理論的に考案する。
これまでの研究課題で、結晶場励起を考慮した磁性希土類パイロクロアに対する拡張量子スピンアイス模型に対して、主にその高温相における磁気双極子モーメント・電気四重極モーメント・擬スピン全てに対する乱雑位相近似（RPA)に基づいた理論的枠組みを構築し、Tb2Ti2O7における実験結果の定量的説明に挑んできた。今年度はその枠組みが破綻するU(1)量子スピン液体相を含む低温相に焦点を当て、U(1）量子スピン液体相を良く記述するU(1）ゲージ理論でRPAを置き換えた理論的枠組みを構築した。また、磁気双極子秩序相・四重極子秩序相などの古典的秩序相を記述するスタンダードな手法であるHolstein-Primakoff変換に基づいた理論的枠組みでRPAを置き換えた理論的枠組みを同時に構築した。
さらに、このU（１）ゲージ理論に基づいた新しい理論的枠組みを用いて、拡張量子スピンアイス模型の模型変数を関数とした、超音波測定の実験結果の試行的フィッティングを開始した。今後、実験結果の本格的フィッティングを進めるとともに、他のパイロクロア古典・量子スピンアイス系へ応用していく。

Current Status of Research Progress

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

Reason

難関であった結晶場励起を考慮した拡張量子スピンアイス模型にゲージ理論、および、Holstein-Primakoff法を適用する理論的枠組みの構築に成功したことは予定通りである。試行計算を開始できた点はやや進んでいる。一方、電場の効果を考慮した第一原理計算の準備にまでは入れていない点はやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

今年度に構築した、結晶場励起を考慮した拡張量子スピンアイス模型に対してU(1）ゲージ理論やHolstein-Prmakoff法を適用した理論的枠組みによって、古典スピンアイス系(Dy,Ho)2Ti2O7、量子スピンアイス系Tb2Ti2O7、Pr2(Zr,Hf)2O7、Yb2Ti2O7などに対して、近年報告されている弾性係数や音速の超音波測定結果を定量的に説明していく。
また、印加電場によって量子スピンアイス系に誘起される電気分極とU(1)ゲージ理論における仮想電場について、電歪の効果を考慮しつつ、定量的に見積もる。
モノポールHall輸送現象の理論やモノポールのジョセフソン効果の定量的解析に必要となる、印加電場が量子スピンアイス系に誘起する電気分極とU(1)ゲージ理論における仮想電場について、スピン間反対称相互作用の修正効果を考慮しつつ、量子スピンアイスの標準模型に電場の効果を取り込み、印加電場に線形な仮想電場を量子化学的計算手法によって（半）定量的に見積もる。また、定量性を高めるために、電場の2次で誘起される電歪の効果を取り込む。
量子スピンアイス系における電場の効果については、実際の物質においては表面・界面の存在により大きく修正される。そこで、これまでに高温量子スピンアイス系の候補として研究してきたスピネル酸化物Ir2O4の超格子系と、そこで印加電場がもたらす効果について、密度汎関数法に基づいた大規模第一原理計算により数値的に解析する。この結果と先述の量子化学的計算結果と組み合わせて、量子スピンアイス系におけるバルク、および、表面・界面での印加電場の効果を理論的に確立するための礎を築く。

Causes of Carryover

コロナ禍において海外出張等の出張を控えていたため。
計算機や計算ソフトウェアの購入や、次年度以降に積極的に成果発表のための費用に充当する。