量子スピンアイスにおける素励起の観測

• 研究課題/領域番号: 15K13521
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 常盤 欣文 京都大学, 理学研究科, 特定研究員 (30737458)
• 連携研究者: 松田 祐司 京都大学, 理学研究科, 教授 (50199816) ; 中辻 知 東京大学, 物性研究所, 教授 (70362431) ; 安井 幸夫 明治大学, 理工学部, 準教授 (80345850) ; 宇田川 将文 学習院大学, 理学部, 準教授 (80431790)
• 研究協力者: 山下 卓也 ; 寺澤 大樹
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2016年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 素励起 / スピン液体 / スピンアイス / 熱伝導 / 幾何学的磁気フラストレーション / 磁気素励起 / フラストレーション / 磁気モノポール

研究成果の概要

量子スピン液体はスピンが秩序化せず絶対零度までスピンが量子的に揺らいでいる特異な状態である。その性質は、スピンの分数化やゲージ揺らぎといった、スピン励起に顕著に表れる。量子スピン液体の実現の有力な候補は量子スピンアイスと呼ばれる系で、磁気単極子やフォトンといった素励起が現れる。
これら素励起の性質を調べるため、熱伝導を用いて量子スピンアイスYb2Ti2O7、Pr2Zr2O7のスピン励起を調べた。前者では、磁気単極子が量子揺らぎにより、結晶中をコヒーレントに伝播することが分かった。後者では極低温において熱伝導の異常な増大を検出し、ゲージ揺らぎに対応するフォトンの初めての観測の可能性を示唆している。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute CPFS/University of Augsburg/University of Goettingen(ドイツ)
• [国際共同研究] Los Alamos Laboratory(米国)
• [国際共同研究] University of Bristol/University College London(英国)
• [国際共同研究] Ecole Polytechnique(フランス)
• [雑誌論文] Conventional s-Wave Superconductivity in BiS2-Based NdO0.71F0.29BiS2 Revealed by Thermal Transport Measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yamashita, Y. Tokiwa, D. Terazawa, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, T. Terashima, Y. Matsuda
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 85 号: 7 ページ: 073707-073707
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.073707
  • NAID: 210000133992
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Tuning the Magnetic Quantum Criticality of Artificial Kondo Superlattices CeRhIn5=YbRhIn5 (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ishii, R. Toda, Y. Hanaoka, Y. Tokiwa, M. Shimozawa, Y. Kasahara, R. Endo, T. Terashima, A. H. Nevidomskyy, T. Shibauchi, Y. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 号: 20 ページ: 206401-206401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.206401
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multiple Metamagnetic Quantum Criticality in Sr3Ru2O7 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tokiwa, M. Mchalwat, R. S. Perry, and P. Gegenwart
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 号: 22 ページ: 226402-226402
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.226402
  • NAID: 130006244607
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Super-heavy electron material as metallic refrigerant for adiabatic demagnetization cooling (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tokiwa, B. Piening, H. S. Jeevan, S. L. Bud’ko, P. C. Canfield P. Gegenwart
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 2 号: 9
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600835
  • NAID: 130006710282
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Possible observation of highly itinerant quantum magnetic monopoles in the frustrated pyrochlore Yb2Ti2O7 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tokiwa,T. Yamashita, M. Udagawa, S. Kittaka, T. Sakakibara, D. Terazawa, Y. Shimoyama, T. Terashima, Y. Yasui, T. Shibauchi, Y. Matsuda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 号: 1 ページ: 10807-10807
  • DOI: 10.1038/ncomms10807
  • NAID: 120005743654
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characteristic signatures of quantum criticality driven by geometrical frustration (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Tokiwa, C. Stingl, M. S. Kim, T. Takabatake, P. Gegenwart
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 1 号: 3
  • DOI: 10.1126/sciadv.1500001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 重い電子系CeCu2Si2におけるs波超伝導 (2017)
  • 著者名/発表者名: 常盤欣文
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 招待講演
• [学会発表] 超重い電子金属を用いた断熱消磁冷却 (2017)
  • 著者名/発表者名: 常盤欣文, B. Piening, H.S. Jeevan, S.L. Bud'ko, P.C. Canfield, P. Gegenwart
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における熱Hall効果測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大西隆史, 杉井かおり, 下澤雅明, 常盤欣文, 栗田伸之, 田中秀数, 山下穣, 芝内孝禎, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] CeCoIn5/CeRhIn5ハイブリッド超格子の圧力下における超強結合状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 成塚政裕, Priscila F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronning, Joe D. Thompson, 石井智大, 三宅聡平, 下澤雅明, 芝内孝禎, 常盤欣文, 笠原裕一, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 59Co-NMRによる人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5とCeCoIn5/YbCoIn5の比較 (2017)
  • 著者名/発表者名: 仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 宍戸寛明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 水上雄太, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 鉄系超伝導体Fe(Se,S)単結晶の比熱測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷口智哉, 綿重達哉, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 重い電子系超伝導体CeCu2Si2の低温高磁場領域におけるNMR (2017)
  • 著者名/発表者名: 北川俊作, 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel, F. Steglich
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] Maximizing superconducting coupling strength in heavy-fermion hybrid superlattices of CeCoIn5/CeRhIn5 (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Naritsuka, Tomohiro Ishii, Souhei Miyake, Yuichi Kasahara, Takahito Terashima, Yuji Matsuda, Yoshifumi Tokiwa, Masaaki Shimozawa, Takasada Shibauchi, P. F. S. Rosa, Yongkang Luo, Filip Ronnin, Joe D. Thompson
  • 学会等名: アメリカ物理学会（国際学会）
  • 発表場所: アメリカ、ニューオーリンズ
• [学会発表] Emergent superconductivity in tricolor Kondo superlattices (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Kasahara, Y. Naritsuka, T. Ishii, S. Miyake, T. Terashima, Y. Matsuda, Y. Tokiwa, M. Shimozaw, T. Shibauchi
  • 学会等名: アメリカ物理学会（国際学会）
  • 発表場所: アメリカ、ニューオーリンズ
• [学会発表] Effect of controlled point like disorder on low-energy quasiparticle excitations in CeCu2Si2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Takenaka, Yuta Mizukami, Marcin Konczykowski, Silvia Seiro, Hirale S Jeevan, Christoph Geibel, Joe A Wilcox, Carsten Putzke, Antony Carrington, Yoshifumi Tokiwa, Yuji Matsuda, Takasada Shibauchi
  • 学会等名: アメリカ物理学会（国際学会）
  • 発表場所: アメリカ、ニューオーリンズ
• [学会発表] Thermal conductivity of exotic elementary excitations in quantum spin ice (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshifumi Tokiwa
  • 学会等名: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems
  • 発表場所: 東京大学
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ハイブリッド超格子CeRhIn5/CeCoIn5における量子臨界性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井智大, 戸田琳太郎, 鳥井陽平, 成塚政裕, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] 極低温熱伝導率測定からみた重い電子系超伝導体CeCu2Si2の超伝導ギャップ構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大西隆史, 寺澤大樹, 山下卓也, 笠原裕一, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H. S.Jeevan, C. Geibel, M. Konczykowski, 芳賀芳範, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] 極低温磁場侵入長測定と不純物効果から見た重い電子系超伝導体CeCu2Si2のギャップ構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹中崇了, 水上雄太, 新井佑基, J. Wilcox, C. Putzke, A. Carrington, S. Seiro, H. S. Jeevan, C. Geibel, M. Konczykowski, 常盤欣文, 松田祐司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] ハイブリット超格子CeRhIn5/CeCoIn5の超伝導特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鳥井陽平, 石井智大, 戸田琳太郎, 成塚政裕, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] 熱伝導率測定による量子スピン液体Pr2Zr2O7中のフォトン励起の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹, 大西隆史, 山下卓也, 常盤欣文, 宇田川将文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 芝内孝禎, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-21
• [学会発表] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NQR (2016)
  • 著者名/発表者名: 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] Possible observation of photon excitations in the quantum spin-ice Pr2Zr2O7 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tokiwa, T. Yamashita, D. Terazawa, T. Terashima, K. Kimura, M. Halim, S. Nakatsuji, Y. Matsuda
  • 学会等名: アメリカ物理学会
  • 発表場所: アメリカ ボルチモア
  • 年月日: 2016-03-15
  • 国際学会
• [学会発表] Hybrid heavy-fermion superlattices of CeCoIn5/CeRhIn5 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Naritsuka, T. Ishii, R. Toda, S. Kasahara, Y. Kasahara, Y. Tokiwa, T. Terashima, Y. Matsuda
  • 学会等名: アメリカ物理学会
  • 発表場所: アメリカ ボルチモア
  • 年月日: 2016-03-15
  • 国際学会
• [学会発表] Evidence for fully-gapped superconductivity in heavy-fermion CeCu2Si2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kasahara, D. Terazawa, T. Yamashita, T. Onishi, Y. Tokiwa, T. Terashima, Y. Matsuda, T. Takenaka, Y. Mizukami, T. Shibauchi, J. Wilcox, C. Putzke, A. Carrington, S. Kittaka, T. Sakakibara, H. S. Jeevan, S. Seiro, C. Geibel, Y. Haga
  • 学会等名: アメリカ物理学会
  • 発表場所: アメリカ ボルチモア
  • 年月日: 2016-03-15
  • 国際学会
• [学会発表] Sr3Ru2O7における多重量子臨界現象 (2016)
  • 著者名/発表者名: 常盤欣文, M. Machalwat, R.S. Perry, P. Gegenwart
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 熱伝導率測定から見た量子スピン液体Pr2Zr2O7中のフォトン励起の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹, 大西隆史, 山下卓也, 常盤欣文, 宇田川将文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 芝内孝禎, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 鉄系超伝導体FeSe単結晶の強磁場下での熱ホール効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 綿重達哉, Stevan Arsenijevic, 笠原成, 山下卓也, 寺澤大樹, 大西隆史, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, Joachim Wosnitza, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] CeCoIn5トリコロール超格子によるPauli対破壊効果の人工制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 三宅聡平, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 石田憲二, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] CeRhIn5/CeCoIn5ハイブリッド超格子における圧力下強結合超伝導状態の実現 (2016)
  • 著者名/発表者名: 成塚政裕, 石井智大, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NMR (2016)
  • 著者名/発表者名: 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 熱伝導率測定および対破壊効果からみた重い電子系超伝導体CeCu2Si2の超伝導ギャップ構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大西隆史, 寺澤大樹, 山下卓也, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H.S.Jeevan, C.Geibel, M. Konczykowski, 芳賀芳範, 水上雄太, 芝内孝禎E, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 不純物効果から見た重い電子系超伝導体CeCu2Si2のギャップ構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 弘中恭平, 竹中崇了, 水上雄太, J. Wilcox, C. Putzke, A. Carrington, S. Seiro, H. S. Jeevan, C. Geibel, M. Konczykowski, 常盤欣文, 松田祐司, 芝内孝禎
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 重い電子系超伝導化合物CeCoIn5と反強磁性化合物CeRhIn5の人工超格子CeCoIn5/CeRhIn5のNMR (2016)
  • 著者名/発表者名: 仲嶺元輝, 山中隆義, 北川俊作, 石田憲二, 石井智大, 成塚政裕, 鳥井陽平, 下澤雅明, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] 熱伝導測定による量子スピンアイスの新奇素励起の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 常盤欣文
  • 学会等名: 研究会「スピン液体研究の新展開」
  • 発表場所: 東京大学
  • 招待講演
• [学会発表] 極低温熱伝導率測定による量子スピン液体Pr2Zr2O7の素励起の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山下卓也, 寺澤大樹, 常盤欣文, 木村健太, Mario Halim, 中辻知, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-19
• [学会発表] CeCoIn5系トリコロール超格子によるグローバルな空間反転対称性の破れの導入 (2015)
  • 著者名/発表者名: 成塚政裕, 遠藤僚太, 戸田琳太郎, 石井智大, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] 重い電子系ハイブリット超格子CeRhIn5/CeCoIn5における輸送測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石井智大, 遠藤僚太, 戸田琳太郎, 成塚政裕, 下澤雅明, 花岡洋祐, 笠原成, 常盤欣文, 笠原裕一, 芝内孝禎, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] 熱伝導率測定による重い電子系超伝導体CeCu2Si2のギャップ構造の解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹, 山下卓也, 常盤欣文, 橘高俊一郎, 榊原俊郎, H.S.JEEVANC, C.GEIBELC, 芳賀芳範, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] 単結晶CeCu2Si2におけるCu-NQR (2015)
  • 著者名/発表者名: 樋口匠, 真砂全宏, 山中隆義, 石田憲二, 常盤欣文, H. S. Jeevan, C. Geibel
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] 熱伝導率測定からみたNdO0.71F0.29BiS2の超伝導ギャップ構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山下卓也, 寺澤大樹, 常盤欣文, 長尾雅則, 綿打敏司, 田中功, 寺嶋孝仁, 松田祐司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16