可解模型からの摂動に基づくスピン液体相の分数励起ダイナミクスの研究

• 研究課題/領域番号: 16H04026
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 数理物理・物性基礎
• 研究機関: 学習院大学
• 研究代表者: 宇田川 将文 学習院大学, 理学部, 教授 (80431790)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2019年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2017年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2016年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 量子スピン液体 / 分数化 / 厳密解 / 動的相関関数 / 幾何学的フラストレーション / Kitaevスピン液体 / マヨラナゼロモード / 近藤効果 / 分数励起 / 動的応答 / 量子計算 / 非可換統計 / Kitaev模型 / スピンアイス / ダイナミクス / 核磁気共鳴 / スピン液体 / 摂動展開 / 可解模型

研究成果の概要

Kitaevスピン液体において、素励起の寄与を直接反映する有限温度動的磁気相関関数の厳密解を導出することに成功した。厳密解を元に、中性子回折実験の基礎となる動的磁気構造因子の導出や、局所的な非可換エニオンの検出に役立つホール相関関数の解析を行なった。また、Kitaevスピン液体と相補的に量子スピン液体を代表するシステムである量子スピンアイスの磁気モノポール励起のダイナミクスを正確に記述する方法論を開発し、磁気モノポールの状態密度が示す有効次元変換という現象を見出した。また、量子スピン液体の前駆的な系である古典スピン液体の新しいクラスが同種のcharge間に働く引力機構から生じることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Kitaevスピン液体において、ダイナミクスを正確に記述する動的相関関数の厳密解の導出に成功した成果は、この系がトポロジカル量子計算のプラットフォームとして有望視されていることから非常に意義深い。特に、厳密解に基づくホール相関関数の振る舞いは量子計算の素子である非可換エニオンの局所検出に用いることができ、実際本研究ではSTMを利用した素励起の検出法の提案も行なっている。また、量子スピンアイスの磁気モノポール励起のダイナミクスの記述に成功したことは、量子スピン液体一般に現れる分数励起という新しいクラスの素励起の性質を理解する新しい道筋を開拓したという意味で基礎科学の面から大きな意義を持つ。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute (MPI PKS)(ドイツ)
• [国際共同研究] Max Planck Institute (MPI PKS)(ドイツ)
• [国際共同研究] IACS(インド)
• [国際共同研究] Wigner Research Centre for Physics(ハンガリー)
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
• [国際共同研究] Bordeaux University(フランス)
• [国際共同研究] Bordeaux University/CNRS(フランス)
• [国際共同研究] Freie Universitat Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Cavendish Laboratory(英国)
• [国際共同研究] CNRS(フランス)
• [国際共同研究] Freie Universitat Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Cambridge University(英国)
• [雑誌論文] Scanning Tunneling Microscopy as a Single Majorana Detector of Kitaev’s Chiral Spin Liquid (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa, S. Takayoshi, T. Oka
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 12 ページ: 127201-127201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.127201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical scheme for finite-temperature dynamics of Kitaev's spin liquids (2021)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: accepted for publication 号: 25 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1088/1361-648x/abf6e4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-Selective Classical Spin Liquid and Magnetization Plateaus on Kagome Lattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Tokushuku Kunio、Mizoguchi Tomonari、Udagawa Masafumi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 5 ページ: 0537081-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.053708
  • NAID: 210000158171
  • 査読あり
• [雑誌論文] Trimer classical spin liquid from interacting fractional charges (2019)
  • 著者名/発表者名: Tokushuku Kunio、Mizoguchi Tomonari、Udagawa Masafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 13 ページ: 1344151-15
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.134415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectrum of Itinerant Fractional Excitations in Quantum Spin Ice (2019)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Masafumi, Moessner Roderich
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 122 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.117201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vison-Majorana complex zero-energy resonance in the Kitaev spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Masafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.220404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic clustering, half-moons, and shadow pinch points as signals of a proximate Coulomb phase in frustrated Heisenberg magnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari, Jaubert Ludovic D. C., Moessner Roderich, Udagawa Masafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.144446
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge density wave instabilities of type-II Weyl semimetals in a strong magnetic field (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Trescher, E. J. Bergholtz, M. Udagawa and J. Knolle
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 20 ページ: 2011011-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.201101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Clustering of Topological Charges in a Kagome Classical Spin Liquid (2017)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Jaubert L.?D.?C.、Udagawa Masafumi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 号: 7 ページ: 0772071-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.077207
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Flat bands and Dirac cones in breathing lattices (2017)
  • 著者名/発表者名: Essafi Karim、Jaubert L D C、Udagawa M
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 29 号: 31 ページ: 3158021-8
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aa782f
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Generic Weyl phase in the vortex state of quasi-two-dimensional chiral superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Yoshida, Masafumi Udagawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.060507
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of delithiation on the dimer transition of the honeycomb-lattice ruthenate Li2-xRuO3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Marco-Polo Jimenez-Segura, Atsutoshi Ikeda, Simon A. J. Kimber, Carlotta Giacobbe, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.104416
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Field-Selective Anomaly and Chiral Mode Reversal in Type-II Weyl Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa, E.J. Bergholtz
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.086401
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Detection of Majorana in the dynamical response of Kitaev’s spin liquid (2021)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: waiting for the conference on Highly Frustrated Magnetism
• [学会発表] 量子スピン液体の素励起ダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 宇田川将文
  • 学会等名: 第5回CRESTチームミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] Kitaev スピン液体の可解極限からの摂動展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宇田川将文
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 金属有機構造体の酸素吸着による磁気制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤将貴, 宇田川将文, 徳宿邦夫, 松浦弘泰, 小形正男
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Kitaevスピン液体におけるSTMを用いたマヨラナ粒子操作 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高吉 慎太郎, 宇田川 将文, 岡 隆史
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Control of Magnetism by Oxygen Adsorption in Magnetic Sponge Materials (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤将貴, 宇田川将文, 徳宿邦夫, 松浦弘泰, 小形正男
  • 学会等名: APS March meeting
• [学会発表] Spinon dynamics in Quantum spin ice (2020)
  • 著者名/発表者名: 宇田川 将文
  • 学会等名: 統計力学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamics of fractional excitations in quantum spin liquids (2020)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: UK-Japan workshop on strongly correlated electron systems and 18th Theoretical and Experimental Magnetism Meeting (TEMM)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子カゴメアイスにおけるマクロに縮退した励起状態とquantum scar (2020)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa, Roderich Moessner
  • 学会等名: 日本物理学会2020年度秋季大会
• [学会発表] 量子スピンアイスのスピノンスペクトル (2020)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa, Roderich Moessner
  • 学会等名: 日本物理学会2020年度秋季大会
• [学会発表] Kitaev スピン液体におけるマヨラナ探索プローブとしてのSTM (2020)
  • 著者名/発表者名: 宇田川 将文, 高吉 慎太郎, 岡 隆史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年度秋季大会
• [学会発表] 金属有機錯体表面における酸素吸着に誘起された磁気競合効果と2 次元古典ス ピン液体形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤将貴, 宇田川将文, 徳宿邦夫, 松浦弘泰, 小形正男
  • 学会等名: 日本物理学会2020年度秋季大会
• [学会発表] Spectral singularity of spinons in quantum spin ice (2020)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: OIST Virtual Seminars and Lectures series
  • 招待講演
• [学会発表] Dimensional transmutation of quantum monopole dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa and R. Moessner
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dimensional diversication in quantum spin ice (2019)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: SFB workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パイロクロア格子上のValence Bond Crystal相に ドープされたホールのダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 徳宿邦夫、宇田川将文
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Magnetic and Charge response of Kitaev's spin liquid (2019)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: IBSPCS-KIAS workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamical response of Kitaev’s spin liquid (2019)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: The 3rd Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploration of Majorana in Kitaev dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Udagawa
  • 学会等名: TopoMat2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectrum of itinerant fractional excitations in quantum spin ice (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa, R. Moessner
  • 学会等名: International Workshop on Constrained Many-body Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamics of fractional excitations in Kitaev’s spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: The 2nd Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Vison resonance in Kitaev’s spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: The 9th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Local magnetic resonance in Kitaev’s spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: KIAS-KAIST Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Zero-energy Majorana in Kitaev spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇田川 将文
  • 学会等名: トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア 第4回領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 量子スピン液体の素励起 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇田川 将文
  • 学会等名: 第12回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線
  • 招待講演
• [学会発表] Kitaev スピン液体の動的相関 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇田川 将文
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Kitaev スピン液体におけるVison の検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宇田川 将文
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Dynamical properties of fractional excitations in Kitaev spin liquids (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: APS March meeting (2017)
  • 発表場所: New Orleans
  • 年月日: 2017-03-13
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of interaction between fractional excitations on J1-J2-J3 Ising model on a kagome lattice (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Mizoguchi, L. D. C. Jaubert, M. Udagawa
  • 学会等名: APS March meeting (2017)
  • 発表場所: New Orleans
  • 年月日: 2017-03-13
  • 国際学会
• [学会発表] Cascade of charge density waves in type-II Weyl materials and magnetotransport (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Trescher, J. Knolle, E. J. Bergholtz, M. Udagawa
  • 学会等名: APS March meeting (2017)
  • 発表場所: New Orleans
  • 年月日: 2017-03-13
  • 国際学会
• [学会発表] Fractional Excitations in Spin Ice (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: Theory of Correlated Topological Materials
  • 発表場所: Kashiwa
  • 年月日: 2017-02-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Clustering of topological charges and novel classical spin liquid in kagome Ising model (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Mizoguchi, L. D. C. Jaubert, and M. Udagawa
  • 学会等名: Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases (BEC2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パイロクロア格子ハイゼンベルグ模型におけるスピンのクラスタ化とそのダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、Ludovic D. C. Jaubert、宇田川将文
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 遷移金属スピネルにおけるスピン分子励起のトポロジカル描像 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、宇田川将文
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] ガウスの法則を用いたスピンアイス型模型の基底状態相図の導出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、Ludovic D. C. Jaubert、宇田川将文
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] Recombination of Fractional Excitations in Frustrated Magnets (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fractional excitations of quantum spin ice in pre-coherency temperature range (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: International conferences on Frustrated Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Local and global magnetic response of Kitaev spin liquids (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: TMS-EPiQS 2nd Alliance Workshop: Topological magnets and topological superconductors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recombination of fractional excitations (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: 第2回TMS領域研究会(TMS2016)
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2016-12-16
• [学会発表] Recombination of fractional excitations in frustrated magnets (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Udagawa
  • 学会等名: EPiQS-TMS Trans-Pacific Conference
  • 発表場所: Moorea
  • 年月日: 2016-12-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 第二種Weyl 半金属における量子異常 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宇田川将文
  • 学会等名: 日本物理学会秋期大会(2016)
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] 古典スピン液体における分数励起間相互作用の効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、L. D. C. Jaubert, 宇田川 将文
  • 学会等名: 日本物理学会秋期大会(2016)
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-14
• [図書] 物理科学, この1年 2020 (2020)
  • 著者名/発表者名: パリティ編集委員会、大槻 義彦
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621304860
• [備考] 宇田川研究室のホームページ
  • URL: https://www-cc.gakushuin.ac.jp/~20150035/Welcome.html