Bose-Einstein condensation in quantum spin system and supercurrent

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26247058
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 田中 秀数 東京工業大学, 理学院, 教授 (80188325)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 栗田 伸之 東京工業大学, 理学院, 助教 (80566737)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: Bose-Einstein凝縮 / スーパーカレント / スピンギャップ磁性体 / スピンダイマー磁性体 / マグノンの結晶化 / 中性子散乱 / 強磁場

Outline of Annual Research Achievements

Bose-Einstein凝縮（BEC）は巨視的量子効果であり，スピンギャップ磁性体の磁場誘起磁気秩序が磁気準粒子マグノンのBECで記述できることが分かっている。しかし，その臨海現象の普遍性の実験的検証は不十分であった。我々は磁場中でU(1)対称性が保たれるCsFeBr3の磁場誘起磁気秩序を50 mKまでの極低温比熱測定で詳細に調べた。これより低温での相転移温度と磁場の関係を決定し，臨界指数が理論の予言する3/2となることを検証した。CsFeBr3のように，磁化率の異方性が非常に大きな物質の磁場中比熱を通常の緩和法で測定すると，磁場中で発生した大きな磁気トルクによって試料ホルダーが回転し，結晶軸が磁場方向から傾いてしまう。我々は磁気的な基底状態がシングレット状態で，大きさが大きく，かつ異方性の大きいVan Vleck常磁性を持つ物質を用いることで大きな磁気トルクを打ち消す方法を開発した。
BECと対極をなすマグノンの結晶化を示すスピンダイマー磁性体Ba2CoSi2O6Cl2の中性子非弾性散乱実験を行い分散のない磁気励起を複数観測した。その強度の波数依存性を詳細に測定して，励起モードの起源を特定した。これより，Ba2CoSi2O6Cl2では，ダイマー間交換相互作用のフラストレーションが完全であるためにマグノンの結晶化が起こることを実証した。また，少量の磁性欠陥が磁気励起に及ぼす効果を明らかにした。
我々が初めて合成し，結晶構造を決定したスピンダイマー磁性体TlCuCl3はマグノンBEC研究の端緒となった物質である。東北大学と静岡大学のグループと共同研究を行い，TlCuCl3の磁場誘起BEC相での強誘電性を観測し，電気分極がダイマーを形成する２つのスピンの外積の期待値に比例することを見出した。そして，電気分極の大きさに量子揺らぎの効果が大きく現れることを示した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National High Magnetic Field Laboratory/University of California/Lawrence Livermore National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: National High Magnetic Field Laboratory/University of California/Lawrence Livermore National Laboratory
• [Int'l Joint Research] IFW Dresden/Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: IFW Dresden/Helmholtz-Zentrum Berlin
• [Int'l Joint Research] Sorbonne University/Aix-Marseille University/Institut Laue-Langevin(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Sorbonne University/Aix-Marseille University/Institut Laue-Langevin
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique Federale de Lausanne/Paul Scherrer Institut(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne/Paul Scherrer Institut
• [Int'l Joint Research] Mahidol University(タイ)
  • Country Name: THAILAND
  • Counterpart Institution: Mahidol University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 3
• [Journal Article] Magnetic excitations and electronic interactions in Sr2CuTeO6: a spin-1/2 square lattice Heisenberg antiferromagnet (2016)
  • Author(s): P. Babkevich, V. M. Katukuri, B. Fak, S. Rols, T. Fennell, D. Pajic, H. Tanaka, T. Pardini, R. R. P. Singh, A. Mitrushchenkov, O. V. Yazyev and H. M. Ronnow
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 117 Pages: 237203 (1-6)
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.237203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ferroelectricity by Bose-Einstein condensation in a quantum magnet (2016)
  • Author(s): S. Kimura, K. Kakihara, Y. Sawada, K. Watanabe, M. Matsumoto, M. Hagiwara and H. Tanaka
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 7 Pages: 12822 (1-5)
  • DOI: https://www.nature.com/articles/ncomms12822
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quasi-Two-Dimensional Bose-Einstein Condensation of Spin Triplets in Dimerized Quantum Magnet Ba2CuSi2O6Cl2 (2016)
  • Author(s): M. Okada, H. Tanaka, N. Kurita, K. Johmoto, H. Uekusa, A Miyake, M. Tokunaga, S. Nishimoto, M. Nakamura, M. Jaime, G. Radtke and A. Saul
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 94 Pages: 094421 (1-8)
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.094421
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Magnetic-field- and pressure-induced quantum phase transition in CsFeCl3 proved via magnetization measurements (2016)
  • Author(s): N. Kurita and H. Tanaka
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 94 Pages: 104409 (1-7)
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.104409
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] フラストレーションの強いスピンダイマー磁性体Ba2CoSi2O6Cl2における強磁場高周波ESR測定 (2017)
  • Author(s): 栗田伸之, 赤木暢, 奥谷顕, 萩原政幸, 田中秀数
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 基底一重項磁性体CsFeBr3の極低温磁気相図と量子臨界現象 (2016)
  • Author(s): 白澤一樹，栗田伸之，田中秀数
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] フラストレーションの強いS=1/2スピンダイマー系Ba2CoSi2O6Cl2における局在励起 (2016)
  • Author(s): 栗田伸之，河村聖子，中島健次，田中秀数
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] フラストレーションの強いS=1スピンダイマー系Ba2NiSi2O6Cl2の量子磁化過程 (2016)
  • Author(s): 小池暢人，栗田伸之，田中秀数，上本紘平，植草秀裕，Mingyue Ruan，野尻浩之，松尾晶，金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 擬2次元スピンダイマー系Ba2CuSi2O6Cl2における高周波強磁場ESR (2016)
  • Author(s): 田中公彦，小池暢人，栗田伸之，須藤紘夢，野尻浩之，田中秀数
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Remarks] 東京工業大学理学院物理学系田中研究室
  • URL: http://www.lee.phys.titech.ac.jp/index.html