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量子スピン液体の準粒子励起を反映した非平衡磁気ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 19K03742
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
研究機関東北大学 (2021-2023)
横浜国立大学 (2019-2020)

研究代表者

那須 譲治  東北大学, 理学研究科, 准教授 (40610639)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2020年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード量子スピン液体 / 非平衡ダイナミクス
研究開始時の研究の概要

本研究では量子スピン液体における準粒子形成に係る過渡的なダイナミクスを調べることで、そのメカニズムを明らかにする。さらに準粒子の存在を確実なものとする実験方法を提案し、ポンプ・プローブ分光実験やパルス磁場実験などの実験グループと連携して、その検証への道筋を作る。準粒子形成プロセスという非平衡過程の新たな側面に着目することで、創発準粒子の存在実証だけでなく、それに由来した強相関非平衡系の新たな分野を開拓することができる。

研究成果の概要

当該研究課題では、磁性絶縁体で現れる量子スピン液体がもつ分数準粒子に由来する特異な性質が非平衡ダイナミクスにどのように現れるかを明らかにすることを目的にしている。キタエフ量子スピン液体では、マヨラナ粒子とバイゾンと呼ばれる複数の分数準粒子が現れる。本研究ではこの模型を主に実時間平均場近似法を用いて解析した。その結果、スピン励起が分数準粒子であるマヨラナ粒子によってスピンの変調なしに伝搬することや、スピンを伝搬するマヨラナ粒子は、不純物よりバイゾン励起に対して強く散乱されることを明らかにした。さらに、局所磁場を実時間で印加することで、バイゾンを空間的に移動できることを見いだした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、磁性絶縁体で現れる量子スピン液体がもつ分数準粒子に由来する特異な性質が非平衡ダイナミクスにどのように現れるかを明らかにすることを目的にしている。本研究では、スピンの分数化によって生じたマヨラナ粒子が磁気励起を伝搬するという結果が得られており、これは、分数準粒子が元の物理的実体であるスピンの輸送体となり得るということを示した点で学術的意義があるだけでなく、伝搬過程で磁化変調を必要としないため、それを活用したスピントロニクスへの応用も期待される。また、分数準粒子の磁場制御も、これを情報担体とする量子計算への応用基盤を構築するという点で社会的意義がある。

報告書

(6件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (61件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (30件) (うち国際共著 4件、 査読あり 30件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (28件) (うち国際学会 11件、 招待講演 11件)

  • [国際共同研究] KAIST(韓国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Tennessee/Oak Ridge National Laboratory/Boston College(米国)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Imperial College London(英国)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Majorana-fermion origin of the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl <sub>3</sub>2024

    • 著者名/発表者名
      Imamura Kumpei、Suetsugu Shota、Mizukami Yuta、Yoshida Yusei、Hashimoto Kenichiro、Ohtsuka Kenichi、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Noh Pureum、Nasu Joji、Moon Eun-Gook、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 10 号: 11

    • DOI

      10.1126/sciadv.adk3539

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Majorana fermions in Kitaev spin liquids2024

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji
    • 雑誌名

      Encyclopedia of Condensed Matter Physics (Second Edition)

      巻: 1 ページ: 139-146

    • DOI

      10.1016/b978-0-323-90800-9.00178-5

    • ISBN
      9780323914086
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interedge spin resonance in the Kitaev quantum spin liquid2023

    • 著者名/発表者名
      Misawa Takahiro、Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 11 ページ: 115117-115117

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.115117

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Field-driven spatiotemporal manipulation of Majorana zero modes in a Kitaev spin liquid2023

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Harada, Atsushi Ono, and Joji Nasu
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 24

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.l241118

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Flavor-wave theory with quasiparticle damping at finite temperatures: Application to chiral edge modes in the Kitaev model2023

    • 著者名/発表者名
      Koyama Shinnosuke、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 23 ページ: 235162-235162

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.235162

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      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] NMR Evidence for Majorana Gap in the Kitaev Quantum Spin Liquid2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Junya、Nagai Yuya、Jinno Takaaki、Shimizu Yasuhiro、Matsushita Taku、Kobayashi Yoshiaki、Itoh Masayuki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 011130-011130

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011130

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      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Field-direction Dependence of Majorana-mediated Spin Transport2023

    • 著者名/発表者名
      Taguchi Hirokazu、Koga Akihisa、Murakami Yuta、Nasu Joji、Tsuchiura Hiroki
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 011152-011152

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011152

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      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nonlinear Spin-wave Theory for Dynamical Spin Correlations in the Kitaev Model at Finite Temperatures2023

    • 著者名/発表者名
      Koyama Shinnosuke、Nasu Joji
    • 雑誌名

      New Physics: Sae Mulli

      巻: 73 号: 12 ページ: 1123-1126

    • DOI

      10.3938/npsm.73.1123

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      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ground-state phase diagram of spin-S Kitaev-Heisenberg models2022

    • 著者名/発表者名
      Fukui Kiyu、Kato Yasuyuki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 17 ページ: 174416-174416

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.174416

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      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evidence for a Phase Transition in the Quantum Spin Liquid State of a Kitaev Candidate α-RuCl32022

    • 著者名/発表者名
      Suetsugu Shota、Ukai Yuzuki、Shimomura Masaki、Kamimura Masashi、Asaba Tomoya、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Shibauchi Takasada、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Matsuda Yuji
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 91 号: 12 ページ: 124703-124703

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.124703

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Feasibility of Kitaev quantum spin liquids in ultracold polar molecules2022

    • 著者名/発表者名
      Fukui Kiyu、Kato Yasuyuki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 1 ページ: 014419-014419

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.014419

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      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Scattering phenomena for spin transport in a Kitaev spin liquid2022

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji、Murakami Yuta、Koga Akihisa
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 2 ページ: 024411-024411

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.024411

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      2022 実施状況報告書
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  • [雑誌論文] Antisymmetric thermopolarization by electric toroidicity2022

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji、Hayami Satoru
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 105 号: 24 ページ: 245125-245125

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.245125

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  • [雑誌論文] Do electron distributions with orbital degree of freedom exhibit anisotropy?2022

    • 著者名/発表者名
      Manjo Taishun、Kitou Shunsuke、Katayama Naoyuki、Nakamura Shin、Katsufuji Takuro、Nii Yoichi、Arima Taka-hisa、Nasu Joji、Hasegawa Takumi、Sugimoto Kunihisa、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.、Sawa Hiroshi
    • 雑誌名

      Materials Advances

      巻: 3 号: 7 ページ: 3192

    • DOI

      10.1039/d1ma01113h

    • URL

      https://pure.teikyo.jp/en/publications/64196d42-a904-40b9-a719-d33eb1d64137

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  • [雑誌論文] Role of Majorana fermions in spin transport of anisotropic Kitaev model2021

    • 著者名/発表者名
      Taguchi Hirokazu、Murakami Yuta、Koga Akihisa、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 12 ページ: 125139-125139

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.125139

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    • 著者名/発表者名
      Koyama Shinnosuke、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 7 ページ: 075121-075121

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.075121

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  • [雑誌論文] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material candidate α-RuCl <sub>3</sub>2021

    • 著者名/発表者名
      Yokoi T.、Ma S.、Kasahara Y.、Kasahara S.、Shibauchi T.、Kurita N.、Tanaka H.、Nasu J.、Motome Y.、Hickey C.、Trebst S.、Matsuda Y.
    • 雑誌名

      Science

      巻: 373 号: 6554 ページ: 568-572

    • DOI

      10.1126/science.aay5551

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    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin dynamics in the Kitaev model with disorder: Quantum Monte Carlo study of dynamical spin structure factor, magnetic susceptibility, and NMR relaxation rate2021

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 3 ページ: 035116-035116

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.035116

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  • [雑誌論文] Majorana correlations in the Kitaev model with ordered-flux structures2021

    • 著者名/発表者名
      A. Koga, Y. Murakami, and J. Nasu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 103 号: 21 ページ: 2144211-9

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.214421

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  • [雑誌論文] Majorana-mediated spin transport in Kitaev quantum spin liquids2020

    • 著者名/発表者名
      T. Minakawa, Y. Murakami, A. Koga, and J. Nasu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 125 号: 4 ページ: 0472041-7

    • DOI

      10.1103/physrevlett.125.047204

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  • [雑誌論文] Thermodynamic and transport properties in disordered Kitaev models2020

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 号: 5 ページ: 054437-054437

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.054437

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  • [雑誌論文] Majorana-magnon crossover by a magnetic field in the Kitaev model: Continuous-time quantum Monte Carlo study2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshitake Junki、Nasu Joji、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 号: 10 ページ: 100408-100408

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.100408

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  • [雑誌論文] The range of non-Kitaev terms and fractional particles in α-RuCl32020

    • 著者名/発表者名
      Wang Yiping、Osterhoudt Gavin B.、Tian Yao、Lampen-Kelley Paige、Banerjee Arnab、Goldstein Thomas、Yan Jun、Knolle Johannes、Ji Huiwen、Cava Robert J.、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Nagler Stephen E.、Mandrus David、Burch Kenneth S.
    • 雑誌名

      npj Quantum Materials

      巻: 5 号: 1 ページ: 14-14

    • DOI

      10.1038/s41535-020-0216-6

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      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
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    • 著者名/発表者名
      A. Koga, T. Minakawa, Y. Murakami, and J. Nasu
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 89 号: 3 ページ: 33701-33701

    • DOI

      10.7566/jpsj.89.033701

    • NAID

      40022185595

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      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two-step gap opening across the quantum critical point in the Kitaev honeycomb magnet α?RuCl32020

    • 著者名/発表者名
      Nagai Yuya、Jinno Takaaki、Yoshitake Junki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Itoh Masayuki、Shimizu Yasuhiro
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 号: 2 ページ: 020414-020414

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.020414

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      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hunting Majorana Fermions in Kitaev Magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Motome Yukitoshi、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 号: 1 ページ: 012002-012002

    • DOI

      10.7566/jpsj.89.012002

    • NAID

      210000157849

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      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nonequilibrium Majorana dynamics by quenching a magnetic field in Kitaev spin liquids2019

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 1 号: 3 ページ: 033007-033007

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.1.033007

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      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Residual entropy and spin fractionalizations in the mixed-spin Kitaev model2019

    • 著者名/発表者名
      A. Koga and J. Nasu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 100 号: 10 ページ: 1004041-5

    • DOI

      10.1103/physrevb.100.100404

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      Y. Kamogawa, J. Nasu, and A. Koga
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 99 号: 23 ページ: 2351071-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.235107

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    • 著者名/発表者名
      H. Tomishige, J. Nasu, and A. Koga
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 99 号: 17 ページ: 1744241-5

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.174424

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    • 学会等名
      日本物理学会, 2024年春季大会
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      原田千宏, 小野淳, 那須譲治
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      S. Koyama, J. Nasu
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    • 著者名/発表者名
      那須譲治
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      若手理論交流研究会
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      2023 実績報告書
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    • 著者名/発表者名
      小山慎之介, 那須譲治
    • 学会等名
      日本物理学会, 第78回年次大会
    • 関連する報告書
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    • 著者名/発表者名
      那須譲治
    • 学会等名
      日本物理学会, 第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体におけるマヨラナゼロモードの時空間制御2023

    • 著者名/発表者名
      原田千宏, 小野淳, 那須譲治
    • 学会等名
      日本物理学会, 第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] キタエフスピン液体におけるスピンゼーベック効果2023

    • 著者名/発表者名
      加藤康之, 那須譲治, 大久保毅, 三澤貴宏, 佐藤正寛, 求幸年
    • 学会等名
      日本物理学会, 第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Propagation and manipulation of fractional quasiparticles in Kitaev spin liquids"2023

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      Workshop "Trends in Topological Materials Science and beyond"
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics and spin transport caused by fractional quasiparticles in Kitaev spin liquids2022

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      11th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2022 (HFM22)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Low-energy and thermodynamic properties of spin-S Kitaev models2022

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu and A. Koga
    • 学会等名
      2022 American Physical Society, March Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Finite-Temperature Spin Dynamics and Transport Phenomena in Kitaev Quantum Spin Liquids2021

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      2021 Winter Conference of the Korean Magnetics Society
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Field-angle dependence of thermal Hall conductivity in a magnetically ordered Kitaev-Heisenberg System2021

    • 著者名/発表者名
      S. Koyama and J. Nasu
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2020 (SCES2020)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体におけるスピン輸送のフラックス散乱2021

    • 著者名/発表者名
      那須譲治, 村上雄太, 古賀昌久
    • 学会等名
      日本物理学会, 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体に対する乱れの効果2021

    • 著者名/発表者名
      那須譲治
    • 学会等名
      研究会「キタエフ量子スピン液体研究の新展開~マヨラナ励起の創出と制御によるトポロジカル量子計算の実現に向けて~」
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 冷却極性分子系でのKitaev量子スピン液体の実現について:汎関数繰り込み群による研究2021

    • 著者名/発表者名
      福井毅勇, 加藤康之, 那須譲治, 求幸年
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] キタエフ模型におけるマヨラナ相関2021

    • 著者名/発表者名
      古賀昌久, 村上雄太, 那須譲治
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体の熱ホール伝導度に対する非対角相互作用の効果2021

    • 著者名/発表者名
      大久保毅, 那須譲治, 三澤貴宏, 求幸年
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Majorana-mediated spin transport without spin polarization in quantum spin liquid2020

    • 著者名/発表者名
      那須譲治
    • 学会等名
      KPS fall meeting
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] キタエフ模型におけるスピン伝導2020

    • 著者名/発表者名
      皆川哲哉, 村上雄太, 古賀昌久, 那須譲治
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体のダイナミクスに対する乱れの効果2020

    • 著者名/発表者名
      那須譲治, 求幸年
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 非一様磁場中キタエフ模型の磁化の空間依存性22020

    • 著者名/発表者名
      皆川哲哉, 村上雄太, 古賀昌久, 那須譲治
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体に対する乱れの効果2020

    • 著者名/発表者名
      那須譲治, 求幸年
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics of Kitaev spin liquids with fractional Majorana excitations2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu ans Y. Motome
    • 学会等名
      International Conference on Topological Material Science 2019 (TopoMat2019), Kyoto University
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics in Kitaev spin liquids with fractional Majorana quasiparticles2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism, Tsung-Dao Lee Institute
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic-field effect and transport properties in Kitaev spin liquids2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      3rd EPiQS-TMS alliance workshop on Topological Phenomena in Quantum Materials (TPQM2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics induced by magnetic-field quench in Kitaev spin liquids with fractional Majorana excitations2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu and Y. Motome
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2025-01-30  

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