量子スピンカゴメ格子反強磁性体におけるスピン液体の実現とトポロジカル秩序の探索

• 研究課題/領域番号: 18K03529
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 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: 北海道大学
• 研究代表者: 吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30566758)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 幾何学的フラストレーション / 量子スピン液体 / カゴメ反強磁性体 / スピン液体 / フラストレーション

研究成果の概要

本研究では、量子スピン液体状態の実現とトポロジカル秩序との関わりに関する知見を得ることを目的として、量子カゴメ反強磁性体CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O単結晶において強磁場磁化、磁気トルク、熱ホール効果、NMR、中性子散乱実験による物性評価を行なった。その結果、本物質の基底状態がq = 0（negative chirality）の長距離磁気秩序であることを実験的に確立した。一方、磁気転移点より高温ではスピン液体に関係する短距離秩序が発達することを見出し、量子カゴメ反強磁性体における強い量子揺らぎとフラストレーションが特異な磁気状態の形成に深く関わっていることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

量子スピン液体は、高温超伝導やトポロジカル秩序との関係、量子コンピューティングへの応用の可能性などが指摘されており、古くから注目を集めてきた。従って、スピン液体を実験的に実現し、その性質を解明することは基礎のみならず応用上の観点からも重要な課題である。本研究ではCaCu3(OH)6Cl2・0.6H2Oを対象とし、スピン液体実現の可能性を探った。結果として、基底状態はスピン液体ではなかったものの、磁気秩序の近傍にスピン液体との関連が期待される短距離秩序状態が実現することを見出した。本研究の知見を基に更なる物質探索や物性評価を進めることで、スピン液体を実現する物質の開発に繋がると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Magnetic Properties of S = 1/2 Distorted Kagome Antiferromagnet CdCu3(OH)6Cl2 with Low-Symmetry Orbital Arrangement (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hiroyuki K.、Noguchi Naoya、Ishii Yuto、Oda Migaku、Chen Jie、Yamaura Kazunari、Yamashita Satoshi、Nakazawa Yasuhiro、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 4 ページ: 044714-044714
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.044714
  • NAID: 40022540074
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Field-induced successive phase transitions in the J1?J2 buckled honeycomb antiferromagnet Cs3Fe2Cl9 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishii Y.、Narumi Y.、Matsushita Y.、Oda M.、Kida T.、Hagiwara M.、Yoshida H. K.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 10 ページ: 104433-104433
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.104433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of Frustrated Short-Range Order above Long-Range Order in the S = 1/2 Kagome Antiferromagnet CaCu3(OD)6Cl2?0.6D2O (2021)
  • 著者名/発表者名: Ihara Yoshihiko、Matsui Kazuki、Kohama Yoshimitsu、Luther Sven、Opherden Daryna、Wosnitza Jochen、K?hne Hannes、Yoshida Hiroyuki K.
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 2 ページ: 023703-023703
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.023703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coexistence of checkerboard and quasiparticle interference modulations in Bi2Sr2CaCu2O8+x studied by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Shusei, Oda Migaku, Momono Naoki, Yoshida Hiroyuki K., Ido Masayuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 18
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.184513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic excitations affected by spin-lattice coupling in the S=32 triangular lattice antiferromagnet Ag2CrO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Masaaki、Dissanayake Sachith E.、Yoshida Hiroyuki K.、Isobe Masaaki、Stone Matthew B.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 21
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.214411
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Partially disordered state with short-range spin correlation in S=5/2 classical triangular antiferromagnet Ag2FeO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida H. K.、Matsuda M.、Stone M. B.、dela Cruz C. R.、Furubayashi T.、Onoda M.、Takayama-Muromachi E.、Isobe M.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043211
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Static and dynamic spin properties in the quantum triangular lattice antiferromagnet Ag2CoO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida H. K.、Dissanayake S. E.、Christianson A. D.、dela Cruz C. R.、Cheng Y.-Q.、Okamoto S.、Yamaura K.、Isobe M.、Matsuda M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 2 ページ: 024445-024445
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.024445
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-pressure synthesis, crystal structure, and magnetic properties of the Shastry-Sutherland-lattice oxides BaLn2ZnO5 (Ln = Pr, Sm, Eu) (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Yuto, Chen Jie, Yoshida Hiroyuki K., Oda Migaku, Christianson Andrew D., Yamaura Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 289 ページ: 121489-121489
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2020.121489
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] q=0 long-range magnetic order in centennialite CaCu3(OD)6Cl2・0.6D2O: A spin-1/2 perfect kagome antiferromagnet with J1-J2-Jd; (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Iida, H. K. Yoshida, A. Nakao, H. O. Jeschke, Y. Iqbal, K. Nakajima, S. Ohira-Kawamura, K. Munakata, Y. Inamura, N. Murai, M. Ishikado, R. Kumai, T. Okada, M. Oda, K. Kakurai, and M. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 101 号: 22 ページ: 220408-220408
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.220408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic magnetic excitations from single-chirality antiferromagnetic state in Ca-kapellasite (2020)
  • 著者名/発表者名: Ihara Y.、Yoshida H.、Arashima K.、Hirata M.、Sasaki T.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.023269
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anisotropic magnetic excitations from single-chirality antiferromagnetic state in Ca-kapellasite (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Ihara, H. Yoshida, K. Arashima, M. Hirata, and T. Sasaki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Butterfly-shaped magnetoresistance in triangular-lattice antiferromagnet Ag2CrO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Taniguchi, M. Watanabe, M. Tokuda, S. Suzuki, E. Imada, T. Ibe, T. Arakawa, H. Yoshida, H. Ishizuka, K. Kobayashi and Y. Niimi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 2525-2525
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59578-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermal-transport studies of kagome antiferromagnets (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Yamashita, M. Akazawa, M. Shimozawa, T. Shibauchi, Y. Matsuda, H. Ishikawa, T. Yajima, Z. Hiroi, M. Oda, H. Yoshida, H.-Y. Lee, J. H. Han and N. Kawashima
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 32 号: 7 ページ: 074001-074001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab50e9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Smectic Liquid-Crystalline Structure of Skyrmions in Chiral Magnet Co8.5Zn7.5Mn4 (110) Thin Film (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nagase, M. Komatsu, Y. G. So, T. Ishida, H. Yoshida, Y. Kawaguchi, Y. Tanaka, K. Saitoh, N. Ikarashi, M. Kuwahara, and M. Nagao
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 13 ページ: 137203-137203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.137203
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Orbital Transitions and Frustrated Magnetism in the Kagome-Type Copper Mineral Volborthite (2019)
  • 著者名/発表者名: Z. Hiroi, H. Ishikawa, H. Yoshida, J. Yamaura, Y. Okamoto
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 号: 18 ページ: 11949-11960
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b01165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coexisting spin resonance and long-range magnetic order of Eu in EuRbFe4As4 (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Iida, Y. Nagai, S. Ishida, M. Ishikado, N. Murai, A. D. Christianson, H. Yoshida, Y. Inamura, H. Nakamura, A. Nakao, K. Munakata, D. Kagerbauer, M. Eisterer, K. Kawashima, Y. Yoshida, H. Eisaki, and A. Iyo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 1 ページ: 014506-014506
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.014506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum magnetisms in uniform triangular lattices Li2AMo3O8 (A=In, Sc) (2019)
  • 著者名/発表者名: Iida Kazuki、Yoshida Hiroyuki、Okabe Hirotaka、Katayama Naoyuki、Ishii Yuto、Koda Akihiro、Inamura Yasuhiro、Murai Naoki、Ishikado Motoyuki、Kadono Ryosuke、Kajimoto Ryoichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 1826-1826
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36123-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin Thermal Hall Conductivity of a Kagome Antiferromagnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Doki Hayato、Akazawa Masatoshi、Lee Hyun-Yong、Han Jung Hoon、Sugii Kaori、Shimozawa Masaaki、Kawashima Naoki、Oda Migaku、Yoshida Hiroyuki、Yamashita Minoru
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 121 号: 9 ページ: 097203-097203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.097203
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of thin films of two-dimensional triangular antiferromagnet Ag2CrO2 and their transport properties (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Taniguchi, S. Suzuki, T. Arakawa, H. Yoshida, Y. Niimi, K. Kobayashi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 号: 2 ページ: 025010-025010
  • DOI: 10.1063/1.5016428
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] スピン1/2カゴメ反強磁性体CaCu3(OD)6Cl2・0.6D2Oにおけるq = 0 長距離磁気秩序 (2021)
  • 著者名/発表者名: 飯田一樹, 吉田紘行, 中尾朗子, Harald O. Jeschke, Yasir Iqbal, 中島健次, 河村聖子, 宗像孝司, 稲村泰弘, 村井直樹, 石角元志, 熊井玲児, 岡田武久, 小田研, 加倉井和久, 松田雅昌
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 2D-NMR測定によるCaCu3(OH)6・0.6H2Oの短距離相関状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦, 松井一樹, 小濱芳允, 吉田紘行
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ブリージングカゴメ反強磁性体Li2Cr3SbO8の超強磁場磁歪 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石井裕人, 池田暁彦, 厳正輝, 小濱芳允, 吉田紘行, 松田康弘
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] f電子系ブリージングカゴメ反強磁性体Gd3Os4Al12の合成と物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林浩章, 吉田紘行, 小田研, 山浦一成, 松下能孝
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 新規f電子系カゴメ反強磁性体の合成と物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林浩章, 山浦一成, 小田研, 吉田紘行
  • 学会等名: 第61回高圧討論会
• [学会発表] 水熱法によるフラストレート磁性体の新物質探索と単結晶育成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] カイラル磁性薄膜におけるドメインウォールスキルミオンの観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長瀬知輝, 肖英紀, 安井隼太, 石田高史, 吉田紘行, 田仲由喜夫, 齋藤晃, 五十嵐信行, 川口由紀, 桑原真人, 長尾全寛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] S = 1/2三角キューポラ反強磁性体SrCu(OH)3Clの磁性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井健太郎, 吉田紘行, 石井裕人, 小田研, Harald O. Jeschke, 下川統久朗, 木村健太, 木村剛, 鳴海康雄, 萩原政幸
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] フラストレート磁性体の新規物質開発と物性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Application of hydrothermal technique to develop 3d transition metal compounds without local inversion symmetry (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yoshida
  • 学会等名: J-Physics 2019 International Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis and physical properties of Spin-1/2 SrCu(OH)3Cl without inversion symmetry (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yoshida
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring of the new materials without time- and spatial-inversion symmetry (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 第29回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] S =1/2三角キューポラ化合物SrCu(OH)3Clの磁性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: スピン系研究の開拓前線 -理論的挑戦と新物質開拓-
  • 招待講演
• [学会発表] 強磁場磁化測定による新規フラストレート磁性体の磁化過程の研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 強磁場フォーラム総会
  • 招待講演
• [学会発表] Dual magnetic excitations in S = 1/2 kagome antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yoshida
  • 学会等名: International workshop on topological quantum materials 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual magnetic ground state with dual magnetic excitations in S = 1/2 J1-J2-Jd kagome antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yoshida
  • 学会等名: 4th International Conference on Functional Materials Science 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Material development towards the perfect frustration on kagome antiferromagnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yoshida
  • 学会等名: J-Physics 2018: International Workshop on New Materials and Crystal Growth
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic properties of S = 3/2 breathing kagome antiferromagnet Li2Cr3SbO8 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 神戸大学フォトサイエンス研究センタースピン系物理研究会
  • 招待講演
• [学会発表] カゴメ反強磁性体の強磁場磁化過程の実験的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: スピン系物理の最前線
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic properties of S = 1/2 antiferromagnetic bond alternating chain system: CaCu2(OH)3Cl3 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 第5回西日本強磁場科学研究会
  • 招待講演
• [備考] スピン液体状態における熱ホール効果の発見
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/news20160719.pdf