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ナノスケールスピン液体におけるスピノン超流動によるスピン変換理論

公募研究

研究領域ナノスピン変換科学
研究課題/領域番号 15H01025
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
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) 2015-06-29 – 2017-03-31
研究課題ステータス 完了 (2016年度)
配分額 *注記
2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2015年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワードスピン流 / スピン液体 / スピンアイス / 物性理論 / 磁性 / スピントロニクス / 量子スピン液体 / スピントロにクス
研究実績の概要

U(1)量子スピン液体の候補物質である希土類磁性絶縁体Pr2Zr2O7などは、電荷0・スピン1/2を運ぶ分化したボーズ粒子スピノンを、励起エネルギーギャップを持った準粒子として自発的に生じると考えられている。一方、Yb2Ti2O7は、このU(1)量子スピン液体からHiggs閉じ込め強磁性相に相転移した系として知られている。そこでは、スピノンがボーズ凝縮して超伝導体におけるクーパー対のように振る舞うと考えられるため、超伝導におけるジョセフソン効果の磁気的類似現象の発現が期待される。これらは、散逸のない革新的スピン変換・制御機能の理論的発見に直接つながる、きわめて重要な現象である。我々は、Yb2Ti2O7/Pr2Zr2O7/Yb2Ti2O7、及び、Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7の薄膜状ナノ接合系の有効スピン理論模型を解析をした。スピン模型の結合定数、および、左右両側のYb2Ti2O7における強磁性磁化の方向やスピノンの位相差などの境界条件を変化させながら、接合系のスピン構造、スピノン凝縮成分の空間分布と位相分布、接合を流れる局所スピノン流などを計算した。その結果、Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7/Yb2Ti2O7接合系では、左右両側のスピノンの位相差に比例してスピノンのsupercurrentが増大し、接合の厚さによらず内部であまり減衰しないことを示した。Yb2Ti2O7/Pr2Zr2O7/Yb2Ti2O7接合系では、スピノンの位相差について、2π、4π、6π周期のサイン関数を成分にもつスピノン流が発生し、その強度は接合の厚みとともに減衰することを示した。スピノンは磁化のモノポールを運ぶことから、この場合には、縦スピン流と、接合の両側のスピノンの位相差の間に一般化されたジョセフソンの関係式が成立することがわかった。本成果について論文投稿準備中である。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2016 実績報告書
  • 2015 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2017 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 7件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] NIST(米国)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [国際共同研究] Institute Laue Langevin(France)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [国際共同研究] NIST/Georgia Regents University(米国)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [国際共同研究] Institute Laue Langevin(France)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2+xTi2-xO7+y2016

    • 著者名/発表者名
      H. Takatsu, S. Onoda, H. Takatsu, S. Kittaka, A. Kasahara, Y. Kono, T. Sakakibara, Y. Kato, B. Fåk, J. Ollivier, J. W. Lynn, T. Taniguchi, M. Wakita, H. Kadowaki
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 116 号: 21 ページ: 2172011-5

    • DOI

      10.1103/physrevlett.116.217201

    • NAID

      120005848239

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2+xTi2-xO7+y2016

    • 著者名/発表者名
      H. Takatsu, S. Onoda, 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

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 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 crossover2015

    • 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

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Quantum spin ice under a [111] magnetic field2017

    • 著者名/発表者名
      T. A. Boesen, S. Onoda
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2016
    • 発表場所
      New Orleans, USA
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [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
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Theory for magnetic excitations in quantum spin ice2016

    • 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
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Quantum spin ice: current issues and beyond2016

    • 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
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic analogue of superconductivity in the Higgs ferromagnetic phase of quantum spin ice2016

    • 著者名/発表者名
      Sho Nakosai, Shigeki Onoda
    • 学会等名
      8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism
    • 発表場所
      Taipei, Taiwan
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Resolving controversies on quantum spin ice: Yb2Ti2O7 and Tb2Ti2O72016

    • 著者名/発表者名
      S. Onoda
    • 学会等名
      8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism
    • 発表場所
      Taipei, Taiwan
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum spin ice under a [111] magnetic field2016

    • 著者名/発表者名
      S. Onoda
    • 学会等名
      Frustrated Magnetism Workshop
    • 発表場所
      Chennai, India
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 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
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Theory for electronic properties of oxide pyrochlores: quantum spin ice and iridates2015

    • 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
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermal, transport, and spectral properties of generic quantum spin ice beyond the mean-field theory2015

    • 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
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] Melting of frozen frustration

    • URL

      http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/8138/

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [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/

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書

URL: 

公開日: 2015-07-02   更新日: 2022-01-28  

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