パイロクロア物質群における磁気単極子がもたらす新しい量子状態・現象の理論的研究

• 研究課題/領域番号: 24740253
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 小野田 繁樹 国立研究開発法人理化学研究所, 古崎物性理論研究室, 専任研究員 (70455335)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2014年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2013年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2012年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 磁性 / 物性理論 / スピン液体 / スピンアイス / トポロジカル絶縁体 / 量子スピンアイス / 量子スピン液体 / ゲージ場 / イリジウム酸化物

研究成果の概要

パイロクロア酸化物において、仮想モノポールがもたらす新しい量子相・現象を解明した。
希土類磁気モーメントが量子磁性を担う量子スピンアイス系に対して、磁化のモノポールが局在した古典スピンアイスから、量子ダイナミクスを示す量子スピン液体への、連続的クロスオーバーを理論的に検証した。広範な実験結果を量子スピンアイス模型に基づいて解析し、Yb2Ti2O7とTb2Ti2O7が、モノポールがボーズ凝縮したHiggs閉じ込め秩序相に位置することを示した。
第一原理計算から、常磁性半金属Pr2Ir2O7と反強磁性絶縁体Y2Ir2O7の電子構造、および、逆格子空間でのモノポールであるワイル点の出現条件を解明した。

研究成果

• [国際共同研究] NIST/Georgia Regents University(米国)
• [国際共同研究] Institute Laue Langevin(France)
• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences(China)
• [雑誌論文] Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2+xTi2-xO7+y (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Takatsu, S. Onoda, H. Takatsu, S. Kittaka, A. Kasahara, Y. Kono, T. Sakakibara, Y. Kato, B. Fak, J. Ollivier, J. W. Lynn, T. Taniguchi, M. Wakita, H. Kadowaki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 未定
  • NAID: 120005848239
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] First-principles study on cubic pyrochlore iridates Y2Ir2O7 and Pr2Ir2O7 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, Y.P. Mizuta, T. Kato, T. Ozaki, H. Weng, and S. Onoda
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 84 号: 7 ページ: 073703-073703
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.073703
  • NAID: 210000133609
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Numerical evidence of quantum melting of spin ice: quantum-classical crossover (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Kato, Shigeki Onoda
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 号: 7 ページ: 077202-077202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.077202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Static magnetic moments revealed by muon spin relaxation and thermodynamic measurements in the quantum spin ice Yb2Ti2O7 (2014)
  • 著者名/発表者名: Lieh-Jeng Chang, Martin R. Lees, Isao Watanabe, Adrian D. Hillier, Yukio Yasui, and Shigeki Onoda,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 18
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.184416
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Symmetry-protected topological phases and transition in a frustrated spin-1/2 XXZ chain (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ueda, Shigeki Onoda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 号: 21 ページ: 2144251-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.214425
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 物質中のモノポールとそのダイナミクス (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野田繁樹
  • 雑誌名: 数理科学 巻: 613
• [雑誌論文] Pushing bits through a spin wire (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 雑誌名: Physics 巻: 5 ページ: 53-53
  • DOI: 10.1103/physics.5.53
• [雑誌論文] Higgs transition from a magnetic Coulomb liquid to a ferromagnet in Yb2Ti2O7 (2012)
  • 著者名/発表者名: Lieh-Jeng Chang, Shigeki Onoda, Yixi Su, Ying-Jer Kao, Ku-Ding Tsuei, Yukio Yasui, Kazuhisa Kakurai, Martin Richard Lees
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 3 号: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms1989
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generic quantum spin ice (2012)
  • 著者名/発表者名: SungBin Lee, Shigeki Onoda, Leon Balents
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 86 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.104412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground-state phase diagram of a spin-1/2 frustrated ferromagnetic XXZ chain: Haldane dimer phase and gapped/gapless chiral phases (2012)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Furukawa, Masahiro Sato, Shigeki Onoda, and Akira Furusaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 86 号: 9 ページ: 94417-94417
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.094417
  • 査読あり
• [学会発表] スピネル型Ir酸化物の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井史之、小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学, 仙台市, 宮城県
  • 年月日: 2016-03-21
• [学会発表] パイロクロア量子スピンアイス系のスピンダイナミクスの理論 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小野田繁樹, Trinanjan Datta
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学, 仙台市, 宮城県
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Theory for magnetic excitations in quantum spin ice (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda, Trinanjan Datta
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore, MD, USA
  • 年月日: 2016-03-15
• [学会発表] Quantum spin ice: current issues and beyond (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: 2016 Quantum Materials Symposium
  • 発表場所: Muui Island, Korea
  • 年月日: 2016-02-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パイロクロアU(1)量子スピン液体・秩序相における励起：フォトン、量子スピンアイスモノポール、ヒッグスモード (2015)
  • 著者名/発表者名: 小野田 繁樹
  • 学会等名: 物性研短期研究会「スピン系物理の深化と最前線」
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、柏市、千葉県
  • 年月日: 2015-11-17
  • 招待講演
• [学会発表] Theory for electronic properties of oxide pyrochlores: quantum spin ice and iridates (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: TMU International Symposium on “New Quantum Phases Emerging from Novel Crystal Structure”
  • 発表場所: 首都大学東京、八王子市、東京都
  • 年月日: 2015-09-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パイロクロア型Ir酸化物における磁気秩序と電子状態の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石井史之, 水田耀ピエール, 加藤毅大, 尾崎泰助, Hongming Weng, 小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学、吹田市、大阪府
  • 年月日: 2015-09-18
• [学会発表] Thermal, transport, and spectral properties of generic quantum spin ice beyond the mean-field theory (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: The 20th International Conference on Magnetism
  • 発表場所: Barcelona, Spain
  • 年月日: 2015-07-06
  • 国際学会
• [学会発表] パイロクロア型Ir酸化物における熱電効果の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 水田耀ピエール、石井史之、小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 （東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 量子スピンアイス系Yb2Ti2O7のμSR測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 濱地紀彰，安井幸夫，河野洋平，橘高俊一郎，榊原俊郎，L.J.Chang，小野田繁樹，渡邊功雄
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 （東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Numerical evidence of quantum melting of spin ice: quantum-classical crossover (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Kato, Shigeki Onoda
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2015
  • 発表場所: Convention Center, San Antonio, TX, USA
  • 年月日: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [学会発表] Two crossovers, deconfined spinons, and Higgs transition in quantum spin ice (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: The long-term workshop "Nove Quantum States in Condensed Matter 2014"
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所 （京都府京都市）
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] フラストレートしたスピン1/2鎖におけるSPT相とトポロジカル相転移 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学 （愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] パイロクロア型Ir酸化物とRh酸化物の第一原理計算：金属絶縁体転移、磁性とトポロジー (2014)
  • 著者名/発表者名: 石井史之，水田耀ピエール，加藤毅大，尾崎泰助，Hongming Weng，小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学 （愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 量子スピンアイス模型の量子モンテカルロシミュレーション：非閉じ込めスピノン，ヒッグス閉じ込め転移，二つのクロスオーバー (2014)
  • 著者名/発表者名: 加藤康之、小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学 （愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] スピン1／2フラストレート交替鎖に現れる対称性に守られたトポロジカル相 (2014)
  • 著者名/発表者名: 上田宏、小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学 （愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Quantum spin ice (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: Nordita programme: "Novel Directions in Frustrated and Critical Magnetism"
  • 発表場所: Nordita, Nordic Institute of Theoretical Physics, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden
  • 年月日: 2014-07-14 – 2014-08-08
  • 招待講演
• [学会発表] Phase transitions, crossovers, aｎd extiations in quantum spin ice (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda, Yasuyuki Kato
  • 学会等名: International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2014
  • 発表場所: Cambridge University, Cambrkdge, UK
  • 年月日: 2014-07-07 – 2014-07-11
• [学会発表] Crossovers, deconfined spinons, and Higgs-confining transition in quantum spin ice (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: 2014 Aspen Summer Program "Modern Trends in Quantum Magnetism"
  • 発表場所: Aspen Center for Physics, Aspen, CO, USA
  • 年月日: 2014-05-25 – 2014-06-22
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum-classical crossover and Higgs confining transitions in quantum spin ice (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: 2014 Aspen Winter Program "Beyond Quasiparticles: New Paradigms for Quantum Fluids"
  • 発表場所: Aspen Center for Physics, Aspen, CO (USA)
• [学会発表] Classical and Quantum Coulomb Spin Liquids and Anderson-Higgs mechanism in quantum spin ice (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: Workshop on Frustration and Topology in Condensed Matter
  • 発表場所: National Cheng Kung University, Tainan (Taiwan)
  • 招待講演
• [学会発表] 量子スピンアイス系Yb2Ti2O7の新奇な強磁性転移と磁気相図 (2014)
  • 著者名/発表者名: 濱地紀彰、安井幸夫、橘髙俊一郎、榊原俊郎、小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学(神奈川県）
• [学会発表] Hydrodynamic theory for Coulomb and Higgs-confining phases in quantum spin ice (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: 7th ISSP International Workshop and Symposium "Emergent Phases in Condensed Matter -- from topological to first principles approaches"
  • 発表場所: 東京大学物性研究所(千葉県）
  • 招待講演
• [学会発表] Hydrodynamic theory for Coulomb and Higgs-confining phases in quantum spin ice (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: NCTS Workshop on Quantum Condensation (QC13)
  • 発表場所: National Center for Theoretical Sciences, National Cheng-Kung University, Tainan (Taiwan)
  • 招待講演
• [学会発表] 量子スピンアイスにおける磁気単極子と量子電磁気学・ヒッグス機構 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学(徳島県）
  • 招待講演
• [学会発表] スピン軌道相互作用する電子系における電荷スピン熱輸送係数の理論 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小野田繁樹
  • 学会等名: 日本磁気学会第193回研究会／第47回スピンエレクトロニクス専門研究会「スピンカロリトロニクス --磁気と熱の織り成す協調現象--」
  • 発表場所: 中央大学（東京都）
  • 招待講演
• [学会発表] Topological magnetic insulators on the pyrochlore lattice: towards a first-principles design (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: International Symposium on Computational Science 2013
  • 発表場所: Kanazawa University, Kanazawa, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] 磁性体からカイラルスピン液体にわたる常ホール果の研究磁性体からカイラルスピン液体にわたる常ホール果の研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学、広島、日本
  • 招待講演
• [学会発表] Topological phases with broken time-reversal symmetry in pyrochlore iridates (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: International Workshop "Itinerant Spin-Orbital Systems: From Magnetic Frustration to Novel Superconductivity
  • 発表場所: Max Planck Institute, Dresden, Germany
  • 招待講演
• [学会発表] Higgs transition from magnetic Coulomb liquid to ferromagnet in Yb2Ti2O7 (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: 9th International workshop on Polarised Neutrons in Condensed Matter Investigations
  • 発表場所: Jean Monnet center, Paris, France
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum spin ice (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: KITP Program: "Frustrated Magnetism and Quantum Spin Liquids: From Theory and Models to Experiments
  • 発表場所: Kavli Institute of Theoretical Physics, Santa Barbara, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Topological phases with broken time-reversal symmetry in pyrochlore iridates (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: Aspen Center for Physics, Summer Workshop "Spin-Orbit Physics in Correlated Electron Systems"
  • 発表場所: Aspen Center for Physics, Aspen, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Spontaneous and quantized anomalous Hall effects in magnetic pyrochlore iridates (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Onoda
  • 学会等名: 520. Wilhelm und Else Heraeus Seminar "Spin-orbit-driven transverse transport phenomena"
  • 発表場所: Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, Bad Honnef, Germany
  • 招待講演
• [備考] Melting of frozen frustration
  • URL: http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/8138/
• [備考] プレスリリース「凍ったスピンをさらに冷やして量子効果で液体に融かす」
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150821_2/
• [備考] 量子スピンアイスの解説（理化学研究所・研究代表者ホームページ内）
  • URL: http://www.riken.jp/lab-www/cond-mat-theory/onoda/Pr2TM2O7_2.htm
• [備考] Higgs transition of north and south poles
  • URL: http://www.riken.go.jp/engn/r-world/info/release/press/2012/120808/index.html
• [備考] There's more to Higgs than bosons
  • URL: http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/research/7122.html