2016 Fiscal Year Research-status Report
多不連続点アルゴリズムを用いた磁気異方性のある磁性体と光結合する原子気体の研究
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26800199
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
加藤 康之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50708534)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子スピン系 / 量子モンテカルロ法 / 量子スピン液体 / スピン軌道相互作用 / 電気磁気効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度，以下の３つの研究成果を公表した．
・量子スピンアイスの候補物質のTb2+xTi2-xO7+yの有効量子スピン模型に量子モンテカルロ(QMC)法を適用した．有効量子スピン模型の高温領域の帯磁率の解析，および古典スピン模型を用いた中性子散乱，磁場中比熱，磁化の解析を複合的に用いて有効模型のパラメータを決定し，低温相が電気四極子相であることを明らかにした．有効模型にはフラストレーションがあり，低温のQMCシミュレーションは負符号問題のために困難である．しかし高温領域では，再重み付け法を用いて計算が可能であり，十分な精度の計算が可能である．
・実験グループと協力して，空間的に低対称な磁気ユニットを内包する系の磁化曲線及び電気磁気応答の解析を行った．解析を行った物質Ba(TiO)Cu4(PO4)4は，近年合成されたものであり，正四角台塔型の磁気ユニット(Cu4O12)を内包している．局所的な空間反転対称性の欠如により，Cuイオンの量子スピン間にはスピン軌道相互作用由来のDzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用が現れる．DM相互作用の存在はスピンの空間的な異方性を生み出す．その結果，外部磁場の方向に依存する磁化曲線が得られる．本研究では磁化曲線の磁場方向依存性を再現する有効量子スピン模型を構築した．またこの系の有限磁場有限温度相図を完成させ複数の反強磁性相が安定化することを示し，各相での電気分極の空間的配置について明らかにした．
・蜂の巣格子上に定義されたKitaev模型は，基底状態が量子スピン液体であることが厳密に示されている模型である．量子スピン間には異方的なイジング相互作用が働き，量子化軸が異なるためにフラストレーションが存在する．本研究では，さらに一様なイジング相互作用を追加することにより，異なる量子スピン液体を経由して磁気秩序相へと推移することを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
異方的な量子スピンが基本的な自由度になっている系（量子スピンアイス，Kitaev toric code）を，QMC法を用いて解析してきた．特に多不連続点アルゴリズムのアイディアを基に開発したQMC法が，2次元および3次元toric code極限の量子スピン液体のシミュレーションに有効であった．その後スピン液体間の転移を発見するといった申請当初には予想していなかった発展をしている．単一イオン立方磁気異方性のある強磁性体の量子スピン模型への適用は引き続き行っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題では，多不連続点アルゴリズムが toric codeのシミュレーションに有効であることが明らかになった．Toric codeはKitaev模型の異方的相互作用の極限に対応しており，量子トポロジカル計算機への応用が期待されている重要な模型である．今後３次元に拡張されたKitaev模型の異方的相互作用の極限で同様の解析を行い，新しい相の探索を行う．
また空間的に低対称な量子磁気ユニットを内包する系の解析についても，実験グループと協力して新物質の解析を行っていく．特にBa(TiO)Cu4(PO4)4のBaをSrやPbに置換したものが合成されている．
立方磁気異方性のある量子磁性体の弱異方性領域の計算結果をまとめて公表することとする．
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| Causes of Carryover |
国内学会への出張旅費として使用する予定だったものが不要になったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本研究課題の研究内容公表のための出張旅費として使用する．
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[Journal Article] Magnetoelectric Behavior from S=1/2 Asymmetric Square Cupolas2017
Author(s)
Yasuyuki Kato, Kenta Kimura, Atsushi Miyake, Masashi Tokunaga, Akira Matsuo, Koichi Kindo, Mitsuru Akaki, Masayuki Hagiwara, Masakazu Sera, Tsuyoshi Kimura, and Yukitoshi Motome
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 118
Pages: 107601
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2+xTi2－xO7+y2016
Author(s)
H. Takatsu, S. Kittaka, A. Kasahara, Y. Kono, T. Sakakibara, Y. Kato, S. Onoda, B. Fak, J. Ollivier, J. W. Lynn, T. Taniguchi, M. Wakita, H. Kadowaki
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 116
Pages: 217201
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] 正四角台塔系における磁気秩序の 多極子分解と電気磁気応答2017
Author(s)
加藤康之, 木村健太, 三宅厚志, 徳永将史, 松尾晶, 金道浩一, 赤木暢, 萩原政幸, 世良正一, 木村剛, 求幸年
Organizer
日本物理学会 第72回年次大会(2017年)
Place of Presentation
大阪大学，大阪府豊中市
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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[Presentation] 反強磁性正四角台塔系 (A(TiO)Cu4(PO4)4 (A = Ba, Sr))の磁化曲線と電気磁気効果2016
Author(s)
加藤康之, 木村健太, 三宅厚志, 徳永将史, 松尾晶, 金道浩一, 赤木暢, 萩原政幸, 世良正一, 木村剛, 求幸年
Organizer
第10回 物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)
Place of Presentation
神戸大学，兵庫県神戸市
Year and Date
2016-12-09 – 2016-12-10
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[Presentation] 反強磁性カイラル正四角台塔系 (A(TiO)Cu4(PO4)4 (A=Ba, Sr))の磁化曲線と電気磁気効果2016
Author(s)
加藤康之, 木村健太, 三宅厚志, 徳永将史, 松尾晶, 金道浩一, 赤木暢, 萩原政幸, 世良正一, 木村剛, 求幸年
Organizer
日本物理学会 2016年秋季大会
Place of Presentation
金沢大学，石川県金沢市
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
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[Presentation] Magnetoelectric Behavior from Asymmetric Unit and Chiral Twist in Antiferromagnetic Square Cupolas2016
Author(s)
Yasuyuki Kato, Kenta Kimura, Atsushi Miyake, Masashi Tokunaga, Akira Matsuo, Koichi Kindo, Mitsuru Akaki, Masayuki Hagiwara, Masakazu Sera, Tsuyoshi Kimura, and Yukitoshi Motome
Organizer
the 8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2016 (HFM 2016)
Place of Presentation
Taipei, Taiwan
Year and Date
2016-09-07 – 2016-09-11
Int'l Joint Research
