対称性が自発的に破れた二次元反強磁性体のマグノン励起とスピノン励起の数値解析

• 研究課題/領域番号: 18H01183
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 柚木 清司 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (70532141)
• 研究分担者: 白川 知功 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (40571237) ; 曽田 繁利 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 技師 (60466414) ; 正木 晶子 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 研究員 (00620717)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2020年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2019年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2018年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
• キーワード: 磁気励起 / 数値計算 / 三角格子ハイゼンベルグ模型 / 励起ダイナミックス / スピン励起 / 量子磁性体 / スピンS=1/2反強磁性ハイゼンベルグ模型 / 量子スピンダイナミックス / 分数励起 / 大規模数値計算

研究成果の概要

正方格子および三角格子上に定義されたSU(2)対称なスピンS=1/2反強磁性ハイゼンベルグ模型の中で、特に基底状態がネール秩序を示す幾つかの関連する模型に対して、数値的計算手法を駆使して磁気励起スペクトル計算を実行した。その結果、コヒーレントなマグノン励起の消失やインコヒーレントな高エネルギー励起の存在など、スピン波理論に基づ単純なマグノン励起では説明できない特徴を明らかにした。さらに得られた計算結果と幾つかの二次元物質に対する実験との定量的な比較を行い良い一致が得られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

最近接相互作用のみを持つ正方格子スピンS=1/2反強磁性ハイゼンベルグ模型など基底状態が自発的対称性が破れたSU(2)対称なスピンS=1/2反強磁性ハイゼンベルグ模型の磁気励起はスピン波理論を基とするS=1マグノン励起で記述できると考えられている。これは低エネルギー領域では正しいが高エネルギー領域では必ずしも正しいわけではない。最新の数値計算を駆使することにより、このことを示す計算結果が提供できた。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of phase string on single-hole dynamics in the two-leg Hubbard ladder (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinjo Kazuya、Sota Shigetoshi、Tohyama Takami
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 3 ページ: 035141-035141
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.035141
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase transitions in the frustrated Ising ladder with stoquastic and nonstoquastic catalysts (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Takada, S. Sota, S. Yunoki, B. Pokharel, H. Nishimori, D. A. Lidar
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 号: 4 ページ: 043013-043013
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.043013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Resonating dimer-monomer liquid state in a magnetization plateau of a spin-1/2 kagome-strip Heisenberg chain (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Morita, S. Sota, T. Tohyama
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 4 号: 1 ページ: 161-161
  • DOI: 10.1038/s42005-021-00665-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic phase diagrams of the spin-1/2 Heisenberg model on a kagome-strip chain: Emergence of a Haldane phase (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Morita, S. Sota, T. Tohyama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 22 ページ: 224417-224417
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.224417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry-adapted variational quantum eigensolver (2020)
  • 著者名/発表者名: Seki Kazuhiro、Shirakawa Tomonori、Yunoki Seiji
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 101 号: 5 ページ: 052340-052340
  • DOI: 10.1103/physreva.101.052340
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermodynamic properties of an S=12 ring-exchange model on the triangular lattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Seki Kazuhiro、Yunoki Seiji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 23 ページ: 235115-235115
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.235115
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic excitations in magnetization plateaus of a frustrated spin ladder (2020)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Kota、Sugimoto Takanori、Tohyama Takami、Sota Shigetoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 14 ページ: 144407-144407
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.144407
  • NAID: 130007646102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gapless spin liquid in a square-kagome lattice antiferromagnet (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Fujihala, K. Morita, R. Mole, S. Mitsuda, T. Tohyama, S. Yano, D. Yu, S. Sota, T. Kuwai, A. Koda, H. Okabe, H. Lee, S. Itoh, T. Hawai, T. Masuda, H. Sagayama, A. Matsuo, K. Kindo, S. Ohira-Kawamura, and K. Nakajima
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 3429-3429
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17235-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Proximate Kitaev system for an intermediate magnetic phase in in-plane magnetic fields (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Beom Hyun、Sota Shigetoshi、Shirakawa Tomonori、Yunoki Seiji、Son Young-Woo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 14 ページ: 140402-140402
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.140402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin Dynamics in the t?t′?J Model: Dynamical Density-Matrix Renormalization Group Study (2020)
  • 著者名/発表者名: Tohyama Takami、Sota Shigetoshi、Yunoki Seiji
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 12 ページ: 124709-124709
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.124709
  • NAID: 40022438374
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum annealing for systems of polynomial equations (2019)
  • 著者名/発表者名: C. C. Chang, A. Gambhir, T. S. Humble, S Sota
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 10258-10258
  • DOI: 10.1038/s41598-019-46729-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Machine Learning Phase Diagram in the Half-filled One-dimensional Extended Hubbard Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinjo Kazuya、Sasaki Kakeru、Hase Satoru、Sota Shigetoshi、Ejima Satoshi、Yunoki Seiji、Tohyama Takami
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 6 ページ: 065001-065001
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.065001
  • NAID: 210000156011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum Monte Carlo study of the superfluid density in quasi-one-dimensional systems of hard-core bosons: Effect of the suppression of phase slippage (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Masaki-Kato, S. Yunoki, D. S. Hirashima
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 22 ページ: 224515-224515
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.224515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-dimensional ground-state mapping of a Mott-Hubbard system in a flexible field-effect device (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawasugi, K. Seki, S. Tajima, J. Pu, T. Takenobu, S. Yunoki, H. M. Yamamoto, and R. Kato
  • 雑誌名: Science Advances （掲載決定） 巻: なし 号: 5
  • DOI: 10.1126/sciadv.aav7282
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of superconductivity and electron-hole doping asymmetry in κ-type molecular conductors (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Hiroshi、Seo Hitoshi、Yunoki Seiji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 3176-3176
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11022-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-Fermi-liquid behavior and doping asymmetry in an organic Mott insulator interface (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawasugi Yoshitaka、Seki Kazuhiro、Pu Jiang、Takenobu Taishi、Yunoki Seiji、Yamamoto Hiroshi M.、Kato Reizo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 11 ページ: 115141-115141
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.115141
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamical density matrix renormalization group study of spin and charge excitations in the four-leg t-t′-J ladder (2018)
  • 著者名/発表者名: Tohyama Takami、Mori Michiyasu、Sota Shigetoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 23 ページ: 235137-235137
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.235137
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground state phase diagram of the Kitaev-Heisenberg model on a honeycomb-triangular lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto Masanori、Morita Katsuhiro、Matsubayashi Yukihiro、Sota Shigetoshi、Yunoki Seiji、Tohyama Takami
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.054411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin transport through a spin-1/2 XXZ chain contacted to fermionic leads (2018)
  • 著者名/発表者名: F. Lange, S. Ejima, T. Shirakawa, S. Yunoki, and H. Fehske
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.245124
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Variational cluster approach to thermodynamic properties of interacting fermions at finite temperatures: A case study of the two-dimensional single-band Hubbard model at half filling (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Seki, T. Shirakawa, and S. Yunoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.205114
  • 査読あり
• [学会発表] kagome strip鎖における磁化プラトーを示す量子スピン液体状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森田克洋、曽田繁利、遠山貴巳
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 動的密度行列繰り込み群法による三角格子反強磁性ハイゼンベルク模型の励起ダイナミクスの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利、遠山貴巳、白川知功、柚木清司
  • 学会等名: 第8回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題 成果報告会
• [学会発表] 動的密度行列繰り込み群法による三角格子反強磁性ハイゼンベルク模型の励起ダイナミクスの解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利、遠山貴巳、白川知功、柚木清司
  • 学会等名: 第7回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題 成果報告会
• [学会発表] 銅酸化物高温超伝導体の磁気励起：動的密度行列繰り込み群法によるt -t’-J模型の動的スピン構造因子の計算 (2020)
  • 著者名/発表者名: 遠山貴巳、曽田繁利、柚木清司
  • 学会等名: 第7回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題 成果報告会
• [学会発表] 三角格子ハイゼンベルグ模型の動的スピン構造因子 (2019)
  • 著者名/発表者名: 白川知功、曽田繁利、柚木清司、遠山貴巳
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] Dynamical DMRG Study of Spin Excitation Dynamics on the Triangular Lattice Antiferromagnetic Heisenberg model (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Sota, T. Shirakawa, S. Yunoki, T. Tohyama
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 密度行列繰り込み群法による強相関量子ダイナミクスシミュレータの開発と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利
  • 学会等名: 第6回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題成果報告会
• [学会発表] 動的密度行列繰り込み群法による三角格子反強磁性ハイゼンベルク模型の励起ダイナミクスの解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利、白川知功、柚木清司、遠山貴巳
  • 学会等名: 第6回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題成果報告会
• [学会発表] 大規模並列密度行列繰り込み群法の開発と量子ダイナミクスへの応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] Massively parallel density matrix renormalization group method algorithm for two-dimensional strongly correlated systems and its applications (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Sota, T. Tohyama, and S. Yunoki
  • 学会等名: The 1st International R-CCS Symposium
• [学会発表] 三角格子反強磁性Heisenberg模型における量子スピン液体状態とスピン励起ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利, 柚木清司, 遠山貴己
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体の磁気励起：数値計算による解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 柚木清司
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会(シンポジウム講演)
  • 招待講演
• [学会発表] Spin dynamics in two-dimensional S=1/2 antiferromagnet ― fate of single magnon excitations ― (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Yunoki
  • 学会等名: Workshop Quantum Many body States 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 三角格子量子スピン系Ba3CoSb2O9の非弾性中性子散乱の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 曽田繁利, 白川知功, 柚木清司, 遠山貴己
  • 学会等名: H30年度ポスト「京」重点課題（７）第3回CDMSI研究会
• [学会発表] Dynamical DMRG study of excitation dynamics of triangular lattice antiferromagnetic Heisenberg models (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Sota, T. Shirakawa, T. Tohyama, and S. Yunoki
  • 学会等名: TNSAA 2018-2019