フラストレーション系におけるスピン多極子秩序と新奇伝導の理論的・数値的研究

• 研究領域: J-Physics：多極子伝導系の物理
• 研究課題/領域番号: 16H01080
• 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: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 坂井 徹 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (60235116)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 量子スピン系 / フラストレーション系 / 低次元磁性体 / スピンネマティック相 / スピンラダー系 / フラストレーション / スピン・ネマティック / スピン多極子 / 多極子 / スピンネマティック / スピンラダー / スピン多極子秩序

研究実績の概要

近年、量子スピン系における多極子秩序のひとつとして、スピンネマティック相が注目されている。とくに低次元磁性体やフラストレーション系において、理論的に予測され、最近になって候補物質による検証実験が盛んに行われているが、まだスピンネマティック相が実験的に発見されたという確証には至っていない場合が多い。本研究代表者による従来の研究により、容易軸異方性を持つ擬一次元反強磁性体のスピンフロップ現象では、通常の一次相転移による磁化ジャンプの代わりに、２回の二次相転移が生じ、その中間相としてスピンネマティック相が出現することが理論的・数値的に示されている。そこで、本研究では、この予測されるスピンネマティック相を伴う磁場誘起相転移がおきる可能性の高い候補物質をいくつか提唱し、検証実験の提案を行った。一方、本研究では、これとは別に、二本鎖の一方が強磁性相互作用、他方が反強磁性相互作用を持つようなスピンラダー系にも着目し、理論的・計算科学的研究を行った。その結果、この系は特定のパラメーター領域においては、厳密なエネルギー固有状態を求めることができること、またその一部は厳密な基底状態になっていることを導くことに成功した。さらに、この系に大規模数値対角化及び密度行列繰り込み群の手法を適用して数値的に解析した結果、本研究の重要な目的のひとつである新しいスピンネマティック相の理論予測をすることに成功した。この成果により、スピンネマティック相の実験的探索を試みる候補物質として、スピンラダー系にも幅を広げることができた。

現在までの達成度 (段落)

29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

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Spin-1/2 Triangular-Lattice Heisenberg Antiferromagnet with √3×√3-Type Distortion --- Behavior around the Boundaries of the Intermediate Phase (2018)
  • 著者名/発表者名: Alisa Shimada, Hiroki Nakano, Toru Sakai, and Kazuyoshi Yoshimura
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 3 ページ: 034706-034706
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.034706
  • NAID: 40021491789
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] √3 × √3型の歪みを持つ三角格子上の<i>S</i> = 1/2ハイゼンベルク反強磁性体 ― 磁化過程と磁化率 ― (2018)
  • 著者名/発表者名: 嶋田ありさ, 中野博生, 坂井徹, 吉村一良
  • 雑誌名: 粉体および粉末冶金 巻: 65 号: 1 ページ: 3-9
  • DOI: 10.2497/jjspm.65.3
  • NAID: 130006336331
  • ISSN: 0532-8799, 1880-9014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum phase transition in the twisted three-leg spin tube (2017)
  • 著者名/発表者名: Ito Keisuke、Yokoo Shun、Okamoto Kiyomi、Sakai Toru
  • 雑誌名: Polyhedron 巻: 136 ページ: 42-44
  • DOI: 10.1016/j.poly.2017.05.024
  • NAID: 130006708986
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exact Ground States of Frustrated Quantum Spin Systems Consisting of Spin-Dimer Units (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiya Hikihara, Takashi Tonegawa, Kiyomi Okamoto, and Toru Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 86 号: 5 ページ: 054709-054709
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.054709
  • NAID: 210000134369
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Frustrated S=1/2 Two-Leg Ladder with Different Leg Interactions (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tonegawa, Kiyomi Okamoto, Toshiya Hikihara, and Toru Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 828 ページ: 012003-012003
  • DOI: 10.1088/1742-6596/828/1/012003
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ferrimagnetism in the Spin-1/2 Heisenberg Antiferromagnet on a Distorted Triangular Lattice (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Nakano and Toru Sakai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 号: 6 ページ: 063702-063702
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.063702
  • NAID: 40021221634
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum Spin Liquid in the Kagome-Lattice Antiferromagnet and Related Systems (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakano and T. Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 868 ページ: 012006-012006
  • DOI: 10.1088/1742-6596/868/1/012006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetization Process of the Spin-1/2 Triangular-Lattice Heisenberg Antiferromagnet with Next-Nearest-Neighbor Interactions --- Plateau or Nonplateau --- (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Nakano and Toru Sakai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 号: 11 ページ: 114705-114705
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.114705
  • NAID: 40021377012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dzyaloshinsky-Moriya Interaction and the Ground State in S=3/2 Perfect Kagome Lattice Antiferromagnet KCr3(OH)6(SO4)2 (Cr-Jarosite) Studied by X-Band and High-Frequency ESR (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Okubo, R. Nakata, S. Idehara, N. Takahashi, T. Sakurai, W. Zhang, H. Ohta, T. Shimokawa, T. Sakai, K. Okuta, S. Hara, and H. Sato
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 号: 2 ページ: 024703-024703
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.024703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gapless Quantum Spin Liquid of the Kagome-Lattice Antiferromagnet (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai and H. Nakano
  • 雑誌名: POLYHEDRON 巻: 126 ページ: 42-44
  • DOI: 10.1016/j.poly.2017.01.012
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ground State Phase Diagram of the Bond-Alternating S=2 Quantum Spin Chain with the XXZ and On-Site Anisotropies -Symmetry Protected Topological Phase versus Trivial Phase- (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Okamoto, T. Tonegawa and T. Sakai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 85 号: 6 ページ: 063704-063704
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.063704
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ground-state phase diagram of an anisotropic S=1/2 ladder with alternating rung interactions (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tonegawa, Kiyomi Okamoto, Toshiya Hikihara and Toru Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 683 ページ: 012039-012039
  • DOI: 10.1088/1742-6596/683/1/012039
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of monomer-monomer interactions on the phase diagrams of the S=1/2 distorted diamond type quantum spin chain (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Okamoto, T. Tonegawa and T. Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 683 ページ: 012038-012038
  • DOI: 10.1088/1742-6596/683/1/012038
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Gapless Quantum Spin Liquid of the Kagome-Lattice Antiferromagnet (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, H. Nakano
  • 学会等名: アメリカ物理学会マーチミーティング
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on Frustrated Magnets (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai
  • 学会等名: Workshop on Quantum Dynamics and Response
  • 発表場所: University of Tokyo（東京都文京区）
  • 年月日: 2017-03-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Spin Fluid Behaviors of the Kagome- and Triangular-Lattice Antiferromagnets (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, H. Nakano
  • 学会等名: International Conference on Low-Temperature Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 磁化率の計算によるスピンギャップ解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂井徹、中野博生
  • 学会等名: 東京大学物性研究所短期研究会 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の今と未来」
• [学会発表] 低次元量子磁性体におけるスピンネマティック相の理論的研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂井徹
  • 学会等名: 東京大学物性研究所 J-Physics トピカルミーティング「局在多極子と伝導電子の相関による新現象」
• [学会発表] Gapless Spin Excitations in the Kagome- and Triangular-Lattice Antiferromagnets (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, H. Nakano
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-Nematic and Spin-Liquid Phases in Low-Dimensional Antiferromagnets (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai
  • 学会等名: International Workshop on Multipole Physics and Related Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] Gapless Quantum Spin Liquid of Kagome-Lattice Antiferromagnet (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, H. Nakano
  • 学会等名: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium -New Horizon of Magnetism-
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Spin Liquid of Kagome-Lattice Antiferromagnet (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai, H. Nakano
  • 学会等名: Symposium on Trends in Condensed Matter Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Spin Nanotubes (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai
  • 学会等名: Energy, Materials, Nanotechnology Meeting
  • 発表場所: Mantra Bell City Hotel(Melbourne, Australia)
  • 年月日: 2016-10-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Spin Fluid of the S=1/2 Kagome-Lattice Antiferromagnet (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai
  • 学会等名: International Conference on Highly Frustrated Magnetism
  • 発表場所: 台湾大学会議場（台湾・台北市）
  • 年月日: 2016-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Spin Fluid in S=1/2 Kagome-Lattice Antiferromagnet (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sakia
  • 学会等名: STATPHYS2016
  • 発表場所: Palais des Congres(Lyon, France)
  • 年月日: 2016-07-18
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Critical Properties of the Twisted Quantum Spin Nanotube (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sakai
  • 学会等名: International Conference on Science and Technology of Synthetic
  • 発表場所: 広州白雲国際会議センター（中国・広州）
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会