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スピンネマティック秩序化と対称性

研究課題

研究課題/領域番号 20K03778
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13010:数理物理および物性基礎関連
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

桃井 勉  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (80292499)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
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: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードスピンネマティック相 / 量子相 / 隠れた秩序相 / 動的物理量 / 動的構造因子 / 核磁気緩和率 / 非摂動的有効ハミルトニアン / 熱容量 / 隠れた量子相 / 非摂動論的アプローチ / 有効ハミルトニアン / フラストレート磁性体 / 量子液晶 / カゴメ格子 / 対称性 / アノーマリー / スピンネマティック / 液晶 / 隠れた秩序 / ジャロシンスキー-守谷相互作用
研究開始時の研究の概要

フラストレート磁性体におけるスピンネマティック状態はスピン秩序が存在しないスピン液体的状態でありながらスピン複合自由度がスピン対称性を部分的に破る隠れた秩序を持つ液晶的な相です。これまで、SU(2)対称なフラストレート強磁性体やSU(4)対称性を持つ模型で、スピンネマティック相の出現が明らかなってきた。しかし実際の磁性体は相互作用の異方性により対称性が低下している。スピンネマティック相出現に対称性の変化が与える役割を明らかにし、対称性の低下におけるネマティック秩序の形成条件を理論的に解明する。様々な候補物質における、ネマティック相の出現・不出現の違いを明らかにする。

研究実績の概要

1.スピン系におけるスピンネマティック秩序相は、磁気ブラッグピークの欠如と、スピン四極子秩序に起因する部分的なスピン回転対称性の破れに特徴付けられます。最近の実験で、SrCu2(BO3)2にスピンネマティック状態と期待される隠れた状態の存在が示され、注目が高まっています。スピンネマティック状態を実験で特定することは難しいですが、動的な物理量はその特定において有望であると考えています。
我々は、三次元量子スピン系における磁場中のスピンネマティック状態の動的性質を、マグノンとマグノン対の2成分ボソン系の理論を構築することにより調べました。この結果、動的構造因子はいかなる運動量と周波数においても発散する特異性を示さず、またスピンネマティック秩序の構造に関する貴重な情報を1マグノン励起の強度に含んでいることが分かりました。さらに、核磁気共鳴(NMR)緩和率が低温において温度の3乗に比例する温度依存性を示すことを明らかにしました。この振る舞いは、磁場中の反強磁性体と類似しています。また、スピンネマティック転移温度においてNMR緩和率が臨界的な発散をせず、カスプ状のピークを作ることを明らかにしました。ここで導入した理論的枠組みは、サイト上およびボンド上のネマティック秩序状態を含む広いクラスのスピンネマティック状態における励起スペクトルと動的性質に関する包括的な理解を与えました。

2.昨年度から開発を行っているクラスター展開を用いた非摂動的な低エネルギー有効ハミルトニアンの導出方法の有効性を数値計算により検証しました。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

スピンネマティック状態の探査のために有効な基礎理論を構築することに成功し、この結果を出版論文として公表した。

今後の研究の推進方策

昨年度までの研究成果を国内外の学会で発表し、多くの研究者と議論を行うことで、スピンネマティック状態探査の研究を活性化したいと考えています。
また、フラストレート磁性体を含む量子多体系における低エネルギー励起状態を非摂動的に得る方法の構築を引き続き行い、その成果を論文として公表する予定です。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] ロンドン大学クイーンメアリー校(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Universite Grenoble Alpes(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] マックス・プランク研究所(ドレスデン)(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] グルノーブル・アルプス大学(フランス)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Max Planck Institute, PKS(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Dynamics of quantum spin-nematics: Comparisons with canted antiferromagnets2024

    • 著者名/発表者名
      Momoi Tsutomu
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 6 号: 1

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.6.013169

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetically Hidden State on the Ground Floor of the Magnetic Devil’s Staircase2022

    • 著者名/発表者名
      Imajo S.、Matsuyama N.、Nomura T.、Kihara T.、Nakamura S.、Marcenat C.、Klein T.、Seyfarth G.、Zhong C.、Kageyama H.、Kindo K.、Momoi T.、Kohama Y.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 129 号: 14 ページ: 147201-147201

    • DOI

      10.1103/physrevlett.129.147201

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Novel quantum phase of the chromium spinel oxide HgCr2O4 in high magnetic fields2022

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura, S. Imajo, M. Gen, T. Momoi, M. Hagiwara, H. Ueda, and Y. Kohama
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 105 号: 18

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.l180405

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Dynamics of quantum spin-nematics2024

    • 著者名/発表者名
      Tsutomu Momoi
    • 学会等名
      CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dynamics of quantum spin-nematics2024

    • 著者名/発表者名
      桃井 勉
    • 学会等名
      第19回 量子スピン系研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] クラスター展開を用いた非摂動的有効ハミルトニアンの導出法2024

    • 著者名/発表者名
      桃井 勉
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Dynamics of spin nematics revisited2023

    • 著者名/発表者名
      Tsutomu Momoi
    • 学会等名
      International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] スピンネマティック状態における動的物理量の再考2023

    • 著者名/発表者名
      桃井 勉
    • 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 実施状況報告書
  • [学会発表] Dynamics of spin nematics revisited2022

    • 著者名/発表者名
      桃井勉
    • 学会等名
      新学術領域研究「量子液晶の物性科学」令和4年度領域研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] クロムスピネル酸化物HgCr2O4のパルス強磁場下比熱測定2022

    • 著者名/発表者名
      木村尚次郎, 今城周作, 厳正輝, 桃井勉, 萩原政幸, 植田浩明, 小濱芳允
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 1次元および2次元量子フラストレートスピン系の1/3磁化プラトー上のLieb-Schultz-Mattis定理2021

    • 著者名/発表者名
      古谷峻介, 堀之内裕理, 桃井勉
    • 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] Coupled Trimer Description of Kagome Compound Volborthite2021

    • 著者名/発表者名
      Tsutomu Momoi
    • 学会等名
      International Workshop on Quantum Magnets in Extreme Conditions
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 「磁気的な悪魔の階段」の手前に「隠れた状態」を発見

    • URL

      https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=16660

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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