カゴメ格子反強磁性体におけるマグノンバンドトポロジーの検証

• 研究課題/領域番号: 20K14395
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 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
• 研究代表者: 那波 和宏 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10723215)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 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: カゴメ格子反強磁性体 / トポロジー / マグノン / 中性子散乱 / 反強磁性体

研究開始時の研究の概要

電子系において波動関数が波数空間上において「ひねられる」トポロジカル絶縁体の開発が進んでいる。同時にトポロジーの概念はマグノン等のボソン系にも拡張されており、強磁性体に関しては熱ホール効果や中性子非弾性散乱実験によって熱的に励起された端状態が存在しうることが示されつつある。しかし今のところ観測されている熱ホール効果と予想されるマグノンバンドのトポロジーが整合しているかは自明ではない。このギャップを埋めるべく、カゴメ格子磁性体を舞台に大型単結晶試料育成と偏極中性子非弾性散乱実験に挑戦し、波数空間上におけるスピン・テクスチャーを通じてマグノンバンドのトポロジーを検証する。

研究成果の概要

近年、トポロジーと呼ばれる逆格子空間における波動関数のつながり方の性質の観点からの固体の電子物性の理解が進んでいる。このようなトポロジーの概念は電子のみならずマグノン等のボソン系にも拡張されつつある。本研究ではカゴメ格子反強磁性体ジャロサイトを舞台にマグノンのバンドトポロジーを検証した。単結晶試料を水熱合成法によって育成し中性子非弾性散乱実験を行うことで、Γ点からM点にかけて3本のマグノンモードの分散を観測した。加えてΓ点周りにおける大きな方向依存性及びバンド間での強度分布の反転している様子が観測され、Γ点周りにおいてマグノンがねじれたトポロジーを有していることと合致する結果を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

非共線磁気構造を持つ反強磁性体に関して非偏極中性子非弾性散乱実験からマグノンのねじれたトポロジーを帯びている兆候をとらえることができた例は研究代表者が知る限り本研究が初めてである。ねじれたトポロジーを生ずる原因は磁性体における副格子自由度とジャロシンスキー守谷相互作用である、電子系におけるスピンと異なる副格子自由度は磁性体を選ぶことで自由に増やしたり減らしたりすることができる。本研究をきっかけに、ねじれたトポロジーを有するマグノン物性の開発が大きく進展すると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)
• [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)
• [国際共同研究] ORNL(米国)
• [国際共同研究] モスクワ大学/ロシア国立科学技術大学(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ORNL(米国)
• [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)
• [雑誌論文] Zigzag magnetic order in the Kitaev spin-liquid candidate material <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>RuBr</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> with a honeycomb lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Imai Yoshinori、Nawa Kazuhiro、Shimizu Yasuhiro、Yamada Wakana、Fujihara Hideyuki、Aoyama Takuya、Takahashi Ryotaro、Okuyama Daisuke、Ohashi Takamasa、Hagihala Masato、Torii Shuki、Morikawa Daisuke、Terauchi Masami、Kawamata Takayuki、Kato Masatsune、Gotou Hirotada、Itoh Masayuki、Sato Taku J.、Ohgushi Kenya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l041112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strongly Electron-Correlated Semimetal RuI3 with a Layered Honeycomb Structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Yoshinori Imai, Youhei Yamaji, Hideyuki Fujihara,Wakana Yamada, Ryotaro Takahashi, Takumi Hiraoka, Masato Hagihala, Shuki Torii, Takuya Aoyama, Takamasa Ohashi, Yasuhiro Shimizu, Hirotada Gotou, Masayuki Itoh, Kenya Ohgushi, and Taku J. Sato
  • 雑誌名: Jounal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 12 ページ: 123703-123703
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.123703
  • NAID: 210000159466
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic structure study of the sawtooth chain antiferromagnet Fe2Se2O (2021)
  • 著者名/発表者名: Nawa Kazuhiro、Avdeev Maxim、Berdonosov Peter、Sobolev Alexey、Presniakov Igor、Aslandukova Alena、Kozlyakova Ekaterina、Vasiliev Alexander、Shchetinin Igor、Sato Taku J.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 24049-24049
  • DOI: 10.1038/s41598-021-03058-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bound spinon excitations in the spin-12 anisotropic triangular antiferromagnet Ca3ReO5Cl2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa,Daigorou Hirai,Maiko Kofu,Kenji Nakajima,Ryo Murasaki,Satoshi Kogane,Motoi Kimata,Hiroyuki Nojiri,Zenji Hiroi,Taku J. Sato
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 4 ページ: 043121-043121
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystal Structure and Magnetic Properties of the Breathing Kagome Ising Antiferromagnet Yb3Ni11Ge4.63 (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuru Takahashi,Kazuhiro Nawa,Daisuke Okuyama,Hiroyuki Nojiri,Matthias D. Frontzek,Maxim Avdeev,Masahiro Yoshida,Daichi Ueta,Hideki Yoshizawa,Taku J. Sato
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 9 ページ: 094704-094704
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.094704
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 擬スピン1/2ブリージングカゴメ格子磁性体Yb3Ni11Ge4.63の中性子非弾性散乱 (2023)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏，高橋 満，奥山 大輔，佐藤 卓
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] スピン1/2フラストレート正方格子磁性体2VOSO4・D2SO4・3D2O における磁気相互作用制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏
  • 学会等名: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」第2回量子物質開発フォーラム
• [学会発表] 4G GPTASのトリセツ (2022)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏，Wu Hung-Cheng，奥山 大輔，佐藤 卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会2022年次大会（JSNS2022）
  • 招待講演
• [学会発表] J1-J2フラストレート正方格子磁性体2VOSO4・D2SO4・D2O"の磁気相互作用制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏，柴田 将弥，佐藤 卓
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Magnetism of pseudospin-1/2 pyrochlore antiferromagnet Na3Co(CO3)2Cl (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Ryo Murasaki, Clarina Dera Cluz, Shinichi Itoh, Hiraku Saito, Hiroyuki Nojiri, Daisuke Okuyama, Masahiro Yoshida, Daichi Ueta, Hideki Yoshizawa, and Taku J. Sato
  • 学会等名: US-Japan workshop "Neutron Scattering on continuous sources future developments",
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic excitations in the spin-1/2 anisotropic triangular lattice antiferromagnet Ca3ReO5Cl2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa
  • 学会等名: 4th international workshop on quantum matter quantum many-body dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic structure and excitations of the Kitaev model candidate RuBr3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Takumi Hiraoka, Yoshinori Imai, Ryo Murasaki, Pharit Piyawongwatthana, Maiko Kofu, Richard Mole, Wakana Yamada, Hideyuki Fujihara, Ryotaro Takahashi, Masato Hagihala, Shuki Torii, Hirotada Gotou, Kenya Ohgushi, Taku J Sato
  • 学会等名: ICNS2022, Online, August, 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and magnetic characterization of Cu2OSeO3 polymorph synthesized under high-pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: H. C. Wu, D. Okuyama, K. Nawa, W. T. Chen, C. H. Lu, T. W. Yen, S. M. Huang, S. Calder, D. Morikawa, M. Terauchi, S. Torri, and T. J. Sato
  • 学会等名: 「量子液晶の物性科学」令和4年度領域研究会
• [学会発表] 量子三角格子磁性体Ba3Yb(BO3)3の中性子非弾性散乱 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松坂信之介, 那波和宏, H.C.Wu, 奥山大輔, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会 2022年9月15日
• [学会発表] 粉末中性子回折によるハニカム格子様化合物Pb6Co9(TeO6)5の磁気構造研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平岡巧, 那波和宏, 谷口貴紀, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会 2022年9月13日
• [学会発表] Magnetic Excitation of Cu2(MoO4)(SeO3) (2022)
  • 著者名/発表者名: Pharit Piyawongwatthana, Kazuhiro Nawa, Stuart Calder, Maiko Kofu, Daisuke Okuyama, Taku J Sato
  • 学会等名: APS March Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] J1-J2フラストレート正方格子磁性体2VOSO4・D2SO4・nD2Oの磁気秩序 (2022)
  • 著者名/発表者名: 那波和宏, 柴田将弥, 奥山大輔, Maxim Avdeev, Ross Piltz, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 量子三角格子磁性体Ba3Yb(BO3)3の結晶場励起 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松坂信之介, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Kitaevスピン液体候補物質RuBr3の中性子非弾性散乱測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平岡巧, 那波和宏, 今井良宗, 藤原秀行, 村崎遼, Pharit Piyawongwatthana, 古府麻衣子, Richard Mole, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Magnetic structure of the frustrated square lattice magnet 2VOSO4・D2SO4・nD2O (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Nawa, M. Shibata, D. Okuyama, Maxim Avdeev, Ross Piltz, T. J Sato
  • 学会等名: 令和3年度新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [学会発表] Magnetic structure of the sawtooth chain antiferromagnet Fe2Se2O7 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Maxim Avdeev, Peter Berdonosov, Alexey Sobolev, Igor Presniakov, Alena Aslandukova, Ekaterina Kozlyakova, Alexander Vasiliev, Igor Shchetinin, and Taku J Sato
  • 学会等名: 日本中性子科学会2021年大会（JSNS2021）
• [学会発表] Magnetic Excitation of Cu2(MoO4)(SeO3) (2021)
  • 著者名/発表者名: Pharit Piyawongwatthana, Maiko Kofu, Kazuhiro Nawa, Daisuke Okuyama, Taku J Sato
  • 学会等名: 日本中性子科学会2021年大会（JSNS2021）
• [学会発表] 中性子非弾性散乱による S=1 スピンダイマー物質 K2NiMo2O8 の磁気励起研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村崎遼, 那波和宏, 古府麻衣子, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会2021年大会（JSNS2021）
• [学会発表] 量子三角格子磁性体Ba3Yb(BO3)3の単結晶育成および結晶場 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松坂信之介, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会2021年大会（JSNS2021）
• [学会発表] Kitaevスピン液体候補物質RuBr3の中性子散乱 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平岡巧, 那波和宏, 今井良宗, 藤原秀行, 村崎遼, Pharit Piyawongwatthana, 古府麻衣子, Richard Mole, 後藤弘匡, 大串研也, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会2021年大会（JSNS2021）
• [学会発表] S=1スピンダイマー物質K2NiMo2O8の中性子非弾性散乱実験による磁気励起測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村崎遼, 那波和宏, 古府麻衣子, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会令和3年度秋季大会
• [学会発表] 反転対称性の破れたフェリ磁性体LiFe5O8の低エネルギースピン波励起 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田将弥, 那波和宏, 村崎遼, 伊藤晋一, 植田大地, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会令和3年度秋季大会
• [学会発表] パイロクロア反強磁性体Na3Co(CO3)2Clの結晶場励起 (2021)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏，村崎 遼，伊藤 晋一，齋藤 開，Clarina R Dela Cruz，佐藤 卓
  • 学会等名: 日本物理学会令和3年度秋季大会
• [学会発表] Search for the J1-J2 low dimensional frustrated magnet (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Nawa, Masaya Shibata, Daisuke Okuyama, Maxim Avdeev, and Taku J Sato
  • 学会等名: QLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] フラストレート強磁性体候補物質の構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田将弥, 那波和宏, 奥山大輔, 佐藤卓
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] S=1/2異方的三角格子反強磁性体Ca3ReO5Cl2におけるスピノン束縛対の励起 (2020)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏, 平井 大悟郎, 古府 麻衣子, 中島 健次, 村崎 遼, 小金 聖史, 木俣 基, 野尻 浩之, 廣井 善二, 佐藤 卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会第20回年会
• [学会発表] 低次元フラストレート強磁性体候補物質の探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柴田 将弥, 那波 和宏, 奥山 大輔, 佐藤 卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会第20回年会
• [学会発表] 正方格子J1-J2フラストレート磁性体の物質探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 那波 和宏, 柴田 将弥, 奥山 大輔, 佐藤 卓
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] S=1/2異方的三角格子反強磁性体Cs2CuCl4の磁気励起 (2020)
  • 著者名/発表者名: 村崎 遼, 那波 和宏, 中島 健次, 河村 聖子, Hong Tao, 佐藤 卓
  • 学会等名: 日本中性子科学会第20回年会