量子スピン液体で発現する創発準粒子のトポロジカル特性の安定性とその制御

• 研究領域: トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア
• 研究課題/領域番号: 18H04223
• 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
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 那須 譲治 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40610639)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2018年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 量子スピン液体 / トポロジカル量子物性 / トポロジカル物性

研究実績の概要

本年度では、量子スピン液体において現れる創発準粒子を制御する方法を理論提案することを目的に研究を進めてきた。それを達成するため具体的にはキタエフ量子スピン液体を考える。そこで現れる創発準粒子は磁場で制御できると考えられるため、磁場効果を詳しく調べた。低磁場領域では、マヨラナ準粒子を素励起に持つ量子スピン液体が実現するが、磁場を強くしていくと、スピン波であるマグノンを素励起に持つ強制強磁性状態へと変化する。これらがどのように繋がるかを解析するために、量子モンテカルロ法を主に用いて、厳密対角化法、スピン波近似法などを併用することで、素励起のダイナミクスを計算した。
さらに、創発準粒子を実験的に捉えるために、実験の研究グループとの共同研究も行った。例えば、ラマン散乱を用いることで、ストークス及びアンチストークス散乱スペクトルからからマグノン励起とは全く異なる散乱強度のエネルギー及び温度依存性が現れることがわかった。この結果は、キタエフ量子スピン液体を実現する候補物質である塩化ルテニウムにおいてマヨラナ準粒子の存在を示唆するものと考えられる。
また、核磁気共鳴実験においても、塩化ルテニウムにおいて緩和率に2種類のギャップの存在を示唆する結果が得られており、この結果は、スピンが2種類の準粒子に分数化していることを反映していることが期待される。
これらの研究を通して、創発準粒子を観測する方法に関しては明らかになりつつあるが、制御する方法については、まだ研究途上であるといわざるを得ないので、ここで得られた成果をもとに、準粒子を制御する実現可能な方法の確立を目指して研究を継続していく。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Tennessee/Oak Ridge National Laboratory/Boston College(米国)
• [国際共同研究] Imperial College London(英国)
• [雑誌論文] Hunting Majorana Fermions in Kitaev Magnets (2020)
  • 著者名/発表者名: Motome Yukitoshi、Nasu Joji
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 1 ページ: 012002-012002
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.012002
  • NAID: 210000157849
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-step gap opening across the quantum critical point in the Kitaev honeycomb magnet α?RuCl3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagai Yuya、Jinno Takaaki、Yoshitake Junki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Itoh Masayuki、Shimizu Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 2 ページ: 020414-020414
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.020414
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin transport in the Quantum Spin Liquid State in the S=1 Kitaev model: role of the fractionalized quasiparticles (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Koga, T. Minakawa, Y. Murakami, and J. Nasu
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 89 号: 3 ページ: 33701-33701
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.033701
  • NAID: 40022185595
  • 査読あり
• [雑誌論文] The range of non-Kitaev terms and fractional particles in α-RuCl3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Yiping、Osterhoudt Gavin B.、Tian Yao、Lampen-Kelley Paige、Banerjee Arnab、Goldstein Thomas、Yan Jun、Knolle Johannes、Ji Huiwen、Cava Robert J.、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Nagler Stephen E.、Mandrus David、Burch Kenneth S.
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 5 号: 1 ページ: 14-14
  • DOI: 10.1038/s41535-020-0216-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Majorana-magnon crossover by a magnetic field in the Kitaev model: Continuous-time quantum Monte Carlo study (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake Junki、Nasu Joji、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 10 ページ: 100408-100408
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.100408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low temperature properties in the Bilayer Kitaev model (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Tomishige, J. Nasu, and A. Koga
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 17 ページ: 1744241-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.174424
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetic Instability for single-band Hubbard model in the strong-coupling regime (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kamogawa, J. Nasu, and A. Koga
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 23 ページ: 2351071-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.235107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Residual entropy and spin fractionalizations in the mixed-spin Kitaev model (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Koga and J. Nasu
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 100 号: 10 ページ: 1004041-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.100404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonequilibrium Majorana dynamics by quenching a magnetic field in Kitaev spin liquids (2019)
  • 著者名/発表者名: Nasu Joji、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 1 号: 3 ページ: 033007-033007
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.1.033007
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Symmetry breaking states in the half-filled two-orbital Hubbard model with crystalline electric field (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ishigaki, J. Nasu, and A. Koga
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 88 号: 2 ページ: 0247021-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.024702
  • NAID: 210000135099
  • 査読あり
• [雑誌論文] Staggered ordered phases in the three-orbital Hubbard model (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ishigaki, J. Nasu, A. Koga, S. Hoshino, and P. Werner
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 8 ページ: 0851311-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085131
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum and classical behavior of spin-S Kitaev models in the anisotropic limit (2019)
  • 著者名/発表者名: Minakawa Tetsuya、Nasu Joji、Koga Akihisa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 10 ページ: 104408-104408
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.104408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground-state and thermodynamic properties of an S=1 Kitaev model (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Koga, H. Tomishige, and J. Nasu
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 号: 6 ページ: 0637031-4
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.063703
  • NAID: 210000134846
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual thermal Hall effect in a Kitaev spin liquid candidate α-RuCl3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kasahara, K. Sugii, T. Ohnishi, M. Shimozawa, M. Yamashita, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 120 号: 21 ページ: 217205-217205
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.217205
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetoelectric Effect in a Spin-State Transition System (2018)
  • 著者名/発表者名: Naka Makoto、Mizoguchi Eriko、Nasu Joji、Ishihara Sumio
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 6 ページ: 063709-063709
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.063709
  • NAID: 210000134852
  • 査読あり
• [雑誌論文] Majorana quantization and half-integer thermal quantum Hall effect in a Kitaev spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: Kasahara Y.、Ohnishi T.、Mizukami Y.、Tanaka O.、Ma Sixiao、Sugii K.、Kurita N.、Tanaka H.、Nasu J.、Motome Y.、Shibauchi T.、Matsuda Y.
  • 雑誌名: Nature 巻: 559 号: 7713 ページ: 227-231
  • DOI: 10.1038/s41586-018-0274-0
  • NAID: 120006497340
  • 査読あり
• [雑誌論文] Successive Majorana topological transitions driven by a magnetic field in the Kitaev model (2018)
  • 著者名/発表者名: Nasu Joji、Kato Yasuyuki、Kamiya Yoshitomo、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 6 ページ: 060416-060416
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.060416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spontaneously orbital-selective superconductivity in a three-orbital Hubbard model (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Ishigaki, J. Nasu, A. Koga, S. Hoshino, and P. Werner
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 23 ページ: 2351201-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.235120
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Nonequilibrium dynamics induced by magnetic-field quench in Kitaev spin liquids with fractional Majorana excitations (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Nasu and Y. Motome
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic-field effect and transport properties in Kitaev spin liquids (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Nasu
  • 学会等名: 3rd EPiQS-TMS alliance workshop on Topological Phenomena in Quantum Materials (TPQM2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium dynamics in Kitaev spin liquids with fractional Majorana quasiparticles (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Nasu
  • 学会等名: The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonequilibrium dynamics of Kitaev spin liquids with fractional Majorana excitations (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Nasu
  • 学会等名: International Conference on Topological Material Science 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Non-equilibrium dynamics by field quench in Kitaev model (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Nasu and Y. Motome
  • 学会等名: Symposium: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems (2019)
  • 国際学会
• [学会発表] キタエフ模型における磁場効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 那須譲治
  • 学会等名: 第4回TMS領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] キタエフ量子スピン液体におけるマヨラナ準粒子 (2019)
  • 著者名/発表者名: 那須譲治
  • 学会等名: 量子多体系の素核・物性クロスオーバー
  • 招待講演
• [学会発表] Majorana topological transition driven by a magnetic field in the Kitaev model (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Nasu
  • 学会等名: TMS-PKU 2nd Alliance Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Kitaevスピン液体の有限温度ダイナミクスと輸送現象 (2018)
  • 著者名/発表者名: 那須譲治
  • 学会等名: 基研研究会「スピン系物理の最前線」
  • 招待講演