量子臨界相の分類と非従来型量子臨界相の量子磁性体における実現

• 研究課題/領域番号: 16J04731
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性Ⅱ(理論)
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 古谷 峻介 国立研究開発法人理化学研究所, 古崎物性理論研究室, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 幾何学的フラストレーション / 量子磁性体 / スピンネマティック相 / 量子相転移 / 量子臨界相 / 低次元量子磁性体 / 共形場理論

研究実績の概要

前年度行った、1次元量子磁性体におけるスピンネマティック相の電子スピン共鳴実験を提案する研究成果を踏まえ、今年度は2次元及び3次元の量子磁性体におけるスピンネマティック相の、電子スピン共鳴による実験的同定についての研究を行った。
スピンネマティック秩序は従来の磁気秩序とは異なり、回転対称性は破るものの反転対称性を破らない秩序である。スピンネマティック秩序が長距離秩序として自発的に生じるとき、南部・Goldstoneモードが生じる。この南部・Goldstoneモードはスピンネマティック秩序の生じる波数においてgaplessであるが、他の波数においてはgappedである。本研究では、この南部・Goldstoneモードに伴う電子スピン共鳴が生じること、その共鳴周波数が上記の南部・Goldstoneモードの励起gapに等しいことを、一般的な場合において示した。
更に、この一般論を正方格子上の具体的なスピン模型に応用した。スピンネマティック相はマグノン対が束縛して生じる素励起がBose-Einstein凝縮を起こした相とみなすことができるが、南部・Goldstoneモードの励起gapは、マグノン対のBose-Einstein凝縮による相転移を反映し、特異的な磁場依存性を生じることがわかった。この磁場依存性の解析結果は、flavor wave理論を活用して得られた。
また、実験研究者らと1次元量子磁性体BaCo2V2O8についての共同研究も行った。この物質はゼロ磁場下ではIsing的な量子反強磁性鎖でよく物性が理解できること、および低磁場の量子相がソリトンの閉じ込め相であることが知られている。本研究では、この物質のg因子が特徴的な交替的非対角成分を持つため、高磁場下で別種のソリトンの閉じ込め相へ相転移することを示した。同時に、非弾性中性子散乱実験結果を定量的に説明することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Grenoble Alpes/Institut NEEL/Laboratoire Leon Bouillouin, CEA, CNRS(フランス)
• [国際共同研究] University of Geneva/Paul Scheller Institute(スイス)
• [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [国際共同研究] Universitat zu Koln(ドイツ)
• [雑誌論文] Electron spin resonance for the detection of long-range spin nematic order (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya and Tsutomu Momoi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.104411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological quantum phase transition in the Ising-like antiferromagnetic spin chain BaCo2V2O8 (2018)
  • 著者名/発表者名: Quentin Faure, Shintaro Takayoshi, Sylvain Petit, Virginie Simonet, Stephane Raymond, Louis-Pierre Regnault, Martin Boehm, Jonathan S. White, Martin Mansson, Chrstian Ruegg, Pascal Lejay, Benjamin Canals, Thomas Lorenz, Shunsuke C. Furuya, Thierry Giamarchi, and Beatrice Grenier
  • 雑誌名: Nature physics 巻: 14 号: 7 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41567-018-0126-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 低次元量子磁性体のESR理論の新展開 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 612 ページ: 67-77
• [雑誌論文] Angular dependence of electron spin resonance for detecting the quadrupolar liquid state of frustrated spin chains (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.014416
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Symmetry Protection of Critical Phases and a Global Anomaly in 1+1 Dimensions (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya and Masaki Oshikawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 118 号: 2 ページ: 021601-021601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.118.021601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Theory of electron spin resonance for detecting long-range spin nematic orders (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya and Tsutomu Momoi
  • 学会等名: International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 電子スピン共鳴によるferroquadrupolar秩序変数の検出の理論 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介, 桃井勉
  • 学会等名: 第72回日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学全学教育推進機構B棟（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 低次元量子磁性体における束縛状態と電子スピン共鳴 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介
  • 学会等名: Workshop on recent development of statistica physics
  • 発表場所: 東京大学理学部4号館（東京都文京区）
  • 年月日: 2017-03-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子磁性体における非線形光学応答と磁気秩序の共鳴的誘起 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 脚相互作用が異なった異方的 S=1/2 2本脚ラダーの基底状態：ボソン化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介、利根川孝、岡本清美、引原俊哉、坂井徹
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] 脚相互作用が異なった異方的 S=1/2 2本脚ラダーの基底状態：数値計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 利根川孝、古谷峻介、岡本清美、引原俊哉、坂井徹
  • 学会等名: 2017年日本物理学会秋季大会
• [学会発表] Tomonaga-Luttinger liquid state with Neel order in quantum spin ladders (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya
  • 学会等名: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Theory of electron spin resonance for ddetecting spin nematic orders (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya
  • 学会等名: 28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
  • 国際学会
• [学会発表] 量子スピン系における共鳴的非線形応答 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介
  • 学会等名: 第12回量子スピン系研究会
• [学会発表] スピンネマティック相検出のための電子スピン共鳴理論 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介
  • 学会等名: 第11回量子スピン系研究会
  • 発表場所: 福井大学遠赤外領域開発研究センター（福井県福井市）
  • 年月日: 2016-12-02
• [学会発表] S=1/2量子スピン鎖の磁気四極子液体相と電子スピン共鳴 (2016)
  • 著者名/発表者名: 古谷峻介
  • 学会等名: 2016年日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学自然科学本館（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] Theory of electron spin resonance for detecting the quasi-long-range nematic order in frustrated ferromagnetic spin chain compounds (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke C. Furuya
  • 学会等名: HFM2016
  • 発表場所: 台湾，台北
  • 年月日: 2016-09-08
  • 国際学会