フラストレーション系の量子スピンネマティック相と新奇伝導の理論的・計算科学的研究

• 研究領域: J-Physics：多極子伝導系の物理
• 研究課題/領域番号: 18H04330
• 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: 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): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: スピンネマティック / 量子スピン液体 / スピンギャップ / 量子スピン系 / フラストレーション / スピンラダー / スピンチューブ / スピンネマティック相 / フラストレーション系 / 多極子秩序 / スピンネマティック液体 / 磁気異方性

研究実績の概要

低次元量子スピン系において、従来の長距離秩序と量子スピン液体の中間ともいうべき量子スピンネマティック相が注目されている。とくに強磁性相互作用と反強磁性相互作用が競合する、一次元フラストレーション系において、スピン液晶、すなわちスピンネマティック相が実現することが、密度行列繰り込み群の計算により理論的に予測され、その候補物質の強磁場磁化過程で、この相と期待される新相が発見されたことから、実験・理論両面から精力的に研究されている。本研究では、多極子系の物理を主題とする当該新学術領域に貢献すべく、スピンの四極子秩序に相当するスピンネマティック相の理論的予測と検証実験の提案を目的として、低次元量子スピン系を中心に、数値対角化と有限サイズスケーリングの手法を適用して、理論的研究を進めた。その結果、容易軸型のシングル・イオン異方性を持つスピン１のスピンラダー系の磁化過程において、スピンネマティック相が実現することを理論予測することに成功した。この系では、上述のフラストレーション系と違って、低磁場でも実現することから、候補物質が見つかりさえすれば、検証実験は比較的容易に実施できるメリットがある。また、リング交換相互作用が働く３本鎖スピンチューブ系の基底状態において、スピンネマティック相が実現することも、理論的に判明した。３本鎖スピンチューブ系には、具体的な候補物質がいくつか知られており、検証実験を検討している段階である。この他にも複数のフラストレーション系において、新奇な量子相の理論的発見に成功している。これらの成果は、強相関電子系の国際会議等で発表するとともに、論文として出版した。また、２０２０年３月のアメリカ物理学会マーチミーティングで発表する予定であったが、新型コロナウイルス感染拡大の問題が起き、会議が中止となったため、航空券のキャンセル料を計上することとなった。

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

• [雑誌論文] Spin Nematic Phase of the Quantum Spin Nanotube (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 29
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.014004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin Nematic Liquids of the S = 1 Spin Ladder in Magnetic Field (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru、Okamoto Kiyomi
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011083
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ground-State Phase Diagram of an Anisotropic S = 1 Ferromagnetic?Antiferromagnetic Bond-Alternating Chain (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kiyomi、Tonegawa Takashi、Kaburagi Makoto、Sakai Toru
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum Phase Transition of the Twisted Spin Tube (2020)
  • 著者名/発表者名: Tachibana Yuta、Ueno Yuki、Zenda Tomosuke、Okamoto Kiyomi、Sakai Toru
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011082
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum Phase Transitions of the Distorted Diamond Spin Chain (2020)
  • 著者名/発表者名: Zenda Tomosuke、Tachibana Yuta、Ueno Yuki、Okamoto Kiyomi、Sakai Toru
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011084
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetization Plateau of the Distorted Diamond Spin Chain (2020)
  • 著者名/発表者名: Ueno Yuki、Zenda Tomosuke、Tachibana Yuta、Okamoto Kiyomi、Sakai T?ru
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011085
  • NAID: 130008152920
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Features of Chirality Generated by Paramagnetic Coupling to Magnetic Fields in the 3?K-Phase of Sr2RuO4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaneyasu Hirono、Enokida Yuya、Nomura Takuji、Hasegawa Yasumasa、Sakai Toru、Sigrist Manfred
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011039
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis of Rashba Effect on Au(111) Model Surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Masaki、Shima Nobuyuki、Makoshi Kenji、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 3 ページ: 034604-034604
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.034604
  • 査読あり
• [雑誌論文] From kagome strip to kagome lattice: Realizations of frustrated S=12 antiferromagnets in Ti(III) fluorides (2019)
  • 著者名/発表者名: Jeschke Harald O.、Nakano Hiroki、Sakai T?ru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 14 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.140410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetization plateau of the S=2 antiferromagnetic Heisenberg chain with anisotropies (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru、Okamoto Kiyomi、Tonegawa Takashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.054407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two magnetization plateaus in the kagome fluoride Cs2LiTi3F12 (2019)
  • 著者名/発表者名: Shirakami Ryu、Ueda Hiroaki、Jeschke Harald O.、Nakano Hiroki、Kobayashi Shintaro、Matsuo Akira、Sakai Toru、Katayama Naoyuki、Sawa Hiroshi、Kindo Koichi、Michioka Chishiro、Yoshimura Kazuyoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 17 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.174401
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Field-Induced Spin Nematic Phase in the S=1 Anisotropic Spin Ladder (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamanokuchi Ryo、Okamoto Kiyomi、Sakai Toru
  • 雑誌名: Proceedings of 2018 16th International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics (MEGAGAUSS) 巻: 1 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/megagauss.2018.8722674
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Haldane Gaps of Large-S Heisenberg Antiferromagnetic Chains and Asymptotic Behavior (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Todoroki Norikazu、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 11 ページ: 1-4
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.114702
  • NAID: 40022062695
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Properties of the H-T phase diagram of the 3?K phase in eutectic Sr2RuO4-Ru: Evidence for chiral superconductivity (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaneyasu Hirono、Enokida Yuya、Nomura Takuji、Hasegawa Yasumasa、Sakai Toru、Sigrist Manfred
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 21
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.214501
  • 査読あり / 国際共著
• [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 Spin Fluid Behaviors of the Kagome- and Triangular-Lattice Antiferromagnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru、Nakano Hiroki
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 969 ページ: 012127-012127
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012127
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spontaneous Magnetization of the Spin-1/2 Heisenberg Antiferromagnet on the Triangular Lattice with a Distortion (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimada Alisa、Sakai Toru、Nakano Hiroki、Yoshimura Kazuyoshi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 969 ページ: 012126-012126
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012126
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gapless spin excitations in the S=1/2 Kagome- and triangular-lattice Heisenberg antiferromagnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru、Nakano Hiroki
  • 雑誌名: Physica B: Condensed Matter 巻: 536 ページ: 85-88
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.08.058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical-Diagonalization Study of Magnetization Process of Frustrated Spin-1/2 Heisenberg Antiferromagnets in Two Dimensions: --- Triangular- and Kagome-Lattice Antiferromagnets --- (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 6 ページ: 063706-063706
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.063706
  • NAID: 40021617018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Precise Estimation of the S = 2 Haldane Gap by Numerical Diagonalization (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 10 ページ: 105002-105002
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.105002
  • NAID: 210000134993
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ground-State Phase Diagram of an Anisotropic S = 1/2 Ladder with Different Leg Interactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Tonegawa Takashi、Hikihara Toshiya、Okamoto Kiyomi、Furuya Shunsuke C.、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 10 ページ: 104002-104002
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.104002
  • NAID: 210000134973
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Third Boundary of the Shastry?Sutherland Model by Numerical Diagonalization (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 12 ページ: 123702-123702
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.123702
  • NAID: 40021751520
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ground state with nonzero spontaneous magnetization of the two-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnet with frustration (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru、Nakano Hiroki
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 号: 10 ページ: 101408-101408
  • DOI: 10.1063/1.5042780
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metamagnetic jump in the spin-1/2 antiferromagnetic Heisenberg model on the square kagome lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Yasumasa、Nakano Hiroki、Sakai Toru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.014404
  • 査読あり
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on Frustrated Quantum Spin Systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 学会等名: Frontiers of Statistical Physocs
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin Nematic Liquid of Low-Dimensional Quantum Antiferromagnets (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 学会等名: Frontiers of Correlated Electron Science
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on Frustrated Magnets (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 学会等名: ISSP International Workshop “Computational Approach to Quantum Many Body Problems”
  • 国際学会
• [学会発表] Spin Nematic Liquid of the Spin Nanotube (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 学会等名: J-Physics 2019 International Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Spin Nematic Liquid of Low-Dimensional Magnets (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems(SCES2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Symmetry Protected Topological Phase of S=2 Quantum Spin Chain in Magnetic Field (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru
  • 学会等名: International Conference on Topological Materials Science
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetization Process of the Triangular- and Kagome-Lattice Antiferromagnets (2019)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] S=2反強磁性鎖の磁化プラトー (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂井徹
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] フラストレーション系の量子スピンネマティック相 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂井徹
  • 学会等名: 新学術領域科研費J-Physics : 多極子系伝導系の物理 平成30年度領域全体会議
• [学会発表] The Numerical Study of Quantum Phase Transitions of the Heisenberg Antiferromagnet on a Frustrated Two Dimensional Lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: International Conference on Magnetism (ICM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Exotic Quantum Spin Liquid of Kagome Lattice Antiferromagnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: International Conference on Coordination Chemistry (ICCC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Field Induced Spin Nematic Phase of Low Dimensional Magnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: The 16th International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on the Kagome-Lattice Antiferromagnet and related systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: Institute Laue-Langevin Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on Frustrated Quantum Spin Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: Seminar of Field Theory and Condensed Matter
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Field Induced Spin Nematic Phases in Low Dimensional Quantum Antiferromagnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: International Workshop on j-fermion Physics and Materials
  • 国際学会
• [備考] 量子科学技術研究開発機構放射光科学研究センター量子シミュレーション研究グループ
  • URL: http://cmt.spring8.or.jp/index.shtml