幾何学的フラストレート系におけるスピン励起と格子振動の中性子非弾性散乱研究

• 研究領域: フラストレーションが創る新しい物性
• 研究課題/領域番号: 22014001
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 富安 啓輔 東北大学, 大学院・理学研究科, 助教 (20350481)
• 研究分担者: 池田 伸一 独立行政法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (10344201) ; 渡辺 忠孝 日本大学, 理工学部, 講師 (70409051) ; 原 茂生 中央大学, 理工学部, 助教 (60520012) ; 高阪 勇輔 青山学院大学, 理工学部, 研究支援者 (60406832)
• 研究期間 (年度): 2010 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 3,700千円 (直接経費: 3,700千円); 2011年度: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円); 2010年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
• キーワード: フラストレーション / 中性子散乱 / 超音波測定 / スピン分子 / スピン軌道分子 / オービトン / ポーラロン / 量子スピン液体

研究概要

次年度である平成23年度では、平成23年3月11日に発生した東日本大震災の影響が深刻であり、中性子実験を追加することはできなかった。しかしながら、これまでに測定の完了した中性子データの数値解析やその他の手法による実験を遂行し、幸い、一定の成果を得るに至ることができた。
スピネル酸化物MgCr_2O_4、HgCr_2O_4、ZnF_2O_4において、複数の型のスピン分子励起を発見した。これらの結果から、スピン分子励起は少なくとも軌道自由度の無いパイロクロア格子上ではかなりユニバーサルに存在し、分子の型の多様性は交換相互作用やパスの微妙な差異に由来することを示唆した。
スピネル酸化物GeCo_2O_4においても、磁気秩序相と常磁性相の両方で分子型の磁気励起を発見した。Co^<2+>は非凍結の軌道角運動量を持つスピン軌道結合イオンと考えられるので、この磁気励起はスピン分子というよりもスピン軌道分子という拡張概念で理解されるべきものであろう。さらに、超音波測定により、常磁性相・磁気秩序相共に、スピン分子と格子の強いカップリングを示唆する弾性定数のソフトニングが観測された。この結果は、スピン分子がスピン軌道格子分子に拡張される可能性があることを示唆する。このような分子がオービトンやポーラロンとどのような関係にあるのか興味深い。
別のアプローチとして、モデルハミルトニアンを仮定し、エネルギー固有値と波動関数を数値的に計算することにより、中性子非弾性散乱断面積を解析することにも取り組んだ。その結果、スピン分子励起の背後に、ゼロ点振動的なスピン分子揺らぎ状態が隠れている可能性が示された。この可能性は超音波測定データの解析と一致する。

研究成果

• [雑誌論文] Emergence of Magnetic Long-range Order in Frustrated Pyrochlore Nd_2Ir_2O_7 with Metal-Insulator Transition (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiyasu, K.Matsuhira, et al
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn 巻: 81 号: 3 ページ: 34709-34709
  • DOI: 10.1143/jpsj.81.034709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modified Cross-Correlation for Efficient White-Beam Inelastic Neutron Scattering Spectroscopy (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Tomiyasu
  • 雑誌名: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 677 ページ: 89-93
  • DOI: 10.1016/j.nima.2012.03.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] 幾何学的フラストレート磁性体にひそむ階層的なスピン分子励起 (2011)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔, 山田和芳
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 66
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular spin-liquid state in the spin-3/2 frustrated spinel HgCr_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiyasu, H.Ueda, et al
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 号: 3 ページ: 35115-35115
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.035115
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Spin-Orbit Excitations in the Jeff=1/2 Frustrated Spinel Ge CO_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiysu, M.K.Crawford, et al
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 号: 5 ページ: 54405-54405
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.054405
  • 査読あり
• [雑誌論文] Elastic Instabilities within Antiferromagnetically Ordered Phase in the Orbitally-Frustrated Spinel GeCo_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Watanabe
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.020409
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-orbit coupling inactivity of Co^<2+> ion in geometrically frustrated magnet GeCo_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiyasu, A.Tominaga, et al
  • 雑誌名: J.Phys.Conf.Ser. 巻: 320 ページ: 12038-12038
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystalline electric field study in pyrochlore-type iridate Nd_2Ir_2O_7 with metal-insulator transition (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Watahiki, K.Tomiyasu, K.Iwasa, K.Matsuhira, S.Takagi, M.Wakeshima, Y.Hinatsu
  • 雑誌名: J.Phys. : Conf.Series 巻: 320 ページ: 12080-12080
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012080
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stability of hexamer-type spin excitations in the frustrated spinel Mg_<1-x>Cr_2O_<4-x> (2011)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Kousaka, J.Akimitsu, et al
  • 雑誌名: J.Phys. : Conf.Ser. 巻: 320 ページ: 12040-12040
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012040
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutron scattering study of spiral-type spin correlations in the frustrated spinel Mn_<0.07>Mg_<0.93>Cr_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokobori, J.Akimitsu, et al
  • 雑誌名: J.Phys. : Conf.Ser. 巻: 320 ページ: 12039-12039
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetism of the Single Crystal Mg-V-O Spinel (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Hara
  • 雑誌名: J.Phys. : Conf.Ser. 巻: 320 ページ: 012053-012053
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012053
  • 査読あり
• [雑誌論文] A spin molecule model for geometrically frustrated spinel ZnFe_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiyasu
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 80 号: Suppl.B ページ: SB024-SB024
  • DOI: 10.1143/jpsjs.80sb.sb024
  • 査読あり
• [雑誌論文] 幾何学的フラストレート磁性体にひそむ階層的なスピン分子励起 (2011)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 最近の研究から 巻: 66(5)(掲載確定)
  • 査読あり
• [雑誌論文] 中性子散乱による磁性研究ならびに評価手法の開発 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 雑誌名: 日本中性子科学会誌 波紋 巻: 20(3) ページ: 237-240
  • NAID: 130007516728
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-magnetic and magnetic impurity effects on superconductivity in the ternary iron-silicide Lu_3Fe_2Si_5 (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Watanabe, H.Okuyama, K.Takase, Y.Takano
  • 雑誌名: Physica C 巻: 470
  • 査読あり
• [学会発表] PrCu_4T(T=Au,Ag)のf^2電子状態が関わる局在-遍歴性の中性子散乱を用いた研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林拓希, 斉藤耕太郎, 富安啓輔, 岩佐和晃, 張帥, 石川義和, J.-M.Mignot, A.Gilles, A.I.Kolesnikov, A.T.Savich, G.E.Granroth
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大
  • 年月日: 2012-03-27
• [学会発表] 電子ドープLaCoO_3系の磁化・輸送特性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 綿引正倫, 富安啓輔, 岩佐和晃, 中尾裕則
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大
  • 年月日: 2012-03-25
• [学会発表] J-PARC偏極度解析中性子分光器POLANO計画の進展 (2012)
  • 著者名/発表者名: 大山研司, 岩佐和晃, 伊藤晋一, 横尾哲也, 富安啓輔, 松浦直人, 平賀晴弘, 藤田全基, 木村宏之, 佐藤豊人, 佐藤卓, 有馬孝尚, 猪野隆, 吉良弘, 坂口佳史, 奥隆之, 有本靖, 鈴木淳市, 清水裕彦, 武田全康, 金子耕士, 野尻浩之
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大
  • 年月日: 2012-03-25
• [学会発表] スピン分子-フラストレート格子における特異な磁気励起- (2012)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会、シンポジウム講演
  • 発表場所: 関西学院大
  • 年月日: 2012-03-25
• [学会発表] フラストレートスピネル酸化物Mn_<1-x>Mg_xCr_2O_4のスピン励起 (2011)
  • 著者名/発表者名: 横堀利夫、高阪勇輔、松井秀樹、秋光純、冨安啓輔、岩佐和晃、平賀晴弘、山田和芳
  • 学会等名: 日本中性子学会第10回年会
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2011-12-11
• [学会発表] Y型六方晶フェライトBa_2Mg_2Fe_<12>O_<22>の強誘電相における磁気構造 (2011)
  • 著者名/発表者名: 矢野真一郎、西川勇作、高阪勇輔、秋光純、谷口耕治、佐賀山基、有馬孝尚、木村宏之、野田幸男
  • 学会等名: 日本中性子学会第10回年会
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2011-12-10
• [学会発表] 希薄濃度領域における不純物置換LaCoO_3系の中性子非弾性散乱と磁化測定による研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔, 久保田祐貴, Uwe Stuhr, 岩佐和晃, 山田和芳
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 2011-09-23
• [学会発表] 重い電子系PrCu_4Auの結晶場準位と磁気秩序 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小林拓希, 斉藤耕太郎, 富安啓輔, 岩佐和晃, 張帥, 石川義和
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 2011-09-23
• [学会発表] スピネル化合物GeCo_2O_4の単結晶ESR測定II (2011)
  • 著者名/発表者名: 山崎達也, 大久保晋, 太田仁, 櫻井敬博, 池田伸一, 大島弘行, 高橋美和子, 原茂生, 富安啓輔, 渡辺忠孝
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] 希薄濃度領域における不純物置換LaCoO_3系の磁化測定による研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 久保田祐貴, 富安啓輔, 岩佐和晃
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] J-PARC偏極度解析中性子分光器POLANO計画の進展 (2011)
  • 著者名/発表者名: 大山研司, 岩佐和晃, 伊藤晋一, 横尾哲也, 富安啓輔, 松浦直人, 平賀晴弘, 藤田全基, 木村宏之, 佐藤豊人, 佐藤卓, 有馬孝尚, 猪野隆, 吉良弘, 坂口佳史, 奥隆之, 有本靖, 鈴木淳市, 清水裕彦, 武田全康, 金子耕士, 野尻浩之
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 富山大
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] 一次元量子スピン系Rb_2Cu_2Mo_3O_<12>の中性子非弾性散乱と磁化測定による研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔、安倍弘、岩佐和晃、益田隆嗣、脇本秀一、梶本亮一、中村充孝、稲村泰弘、新井正敏
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟大学五十嵐キャンパス
  • 年月日: 2011-03-27
• [学会発表] スピネル化合物GeCo_2O_4の単結晶ESR測定 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山崎達也, 大久保晋, 太田仁, 櫻井敬博, 池田伸一, 原茂生, 大島祐之, 高橋美和子, 渡辺忠孝、富安啓輔
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟大学
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] 希薄ホールドープ系(La_<1-x>Sr_x)CoO_3の中性子散乱と磁化測定 (2011)
  • 著者名/発表者名: 久保田祐貴、小山俊一、富安啓輔、岩佐和晃、Stuhr Uwe、金子耕士、池田伸一、梅山規男
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟大学五十嵐キャンパス
  • 年月日: 2011-03-25
• [学会発表] Mg-V-O系スピネルの単結晶育成とその磁性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 原茂生、大島祐之、松田崇弘、梅山規男、池田伸一、高橋美和子、渡辺忠孝、富安啓輔、佐藤博彦
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟大学
  • 年月日: 2011-03-25
• [学会発表] スピネル酸化物GeFe_2O_4の大型単結晶作製と磁性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 松田崇弘, 渡辺忠孝, 梅山規男, 原茂生, 池田伸一
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟大学
  • 年月日: 2011-03-25
• [学会発表] Molecular spin and orbital excitations in frustrated spinel-type oxides (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiyasu
  • 学会等名: The International Workshop on Neutron Applications on Strongly Correlated Electron Systems 2011
  • 発表場所: 茨城県東海村(invited)
  • 年月日: 2011-02-23
• [学会発表] Molecular spin-orbit excitations in the J_<eff>=1/2 frustrated spinel GeCo_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: CMRC「強相関電子系における軌道混成秩序とその外場応答」研究会
  • 発表場所: KEK(つくば)
  • 年月日: 2011-02-14
• [学会発表] Spin-orbit coupling inactivity of Co^<2+> ion in geometrically frustrated magnet GeCo_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Tomiyasu, A.Tominaga, S.Hara, H.Sato, T.Watanabe, S.I.Ikeda, H.Hiraka, K.Iwasa, K.Yamada
  • 学会等名: International Conference on Frustration in Condensed Matter
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2011-01-11
• [学会発表] Crystalline electric field study in the pyrochlore Nd_2Ir_2O_7 with metal-insulator transition (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Watahiki, K.Tomiyasu, K.Matsuhira, K.Iwasa, M.Yokoyama, S.Takagi, M.Wakeshima, Y.Hinatsu
  • 学会等名: International Conference on Frustration in Condensed Matter
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2011-01-11
• [学会発表] Stability of hexamer-type spin excitations in the frustrated spinel Mg_<1-x>Cr_2O_<4-x> (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Kousaka, K.Tomiyasu, T.Yokobori, K.Horigane, H.Hiraka, K.Yamada, J.Akimitsu
  • 学会等名: International Conference on Frustration in Condensed Matter
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2011-01-11
• [学会発表] Neutron scattering study of spiral-type spin correlations in the frustrated spinel Mn_<0.07>Mg_<0.93>Cr_2O_4 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokobori, K.Tomiyasu, Y.Kousaka, H.Matsui, H.Hiraka, K.Iwasa, K.Yamada, J.Akimitsu
  • 学会等名: International Conference on Frustration in Condensed Matter
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2011-01-11
• [学会発表] Magnetism of the Single Crystal Mg-V-O Spinel (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Hara, N.Umeyama, H.Oshima, T.Mastuda, S.I.Ikeda, T.Watanabe, K.Tomiyasu
  • 学会等名: International Conference on Frustration in Condensed Matter
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2011-01-11
• [学会発表] 金属スピンフラストレート系Mn_3Ptの単結晶中性子非弾性散乱研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: J-PARC/MLF BL01+BL14研究会
  • 発表場所: 茨城県東海村
  • 年月日: 2010-10-29
• [学会発表] 金属スピンフラストレート系Mn_3Ptの単結晶中性子非弾性散乱研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: 第6回トピカルミーティング「フラストレーションと量子輸送
  • 発表場所: 宮島
  • 年月日: 2010-10-16
• [学会発表] 一次元量子スピンフラストレート系(Rb_<1-x>Cs_x)_2Cu_2Mo_3O_<12>の粉末中性子・X線散乱による研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 安倍弘、富安啓輔、中尾朗子、中尾裕則、金子耕士、長壁豊隆、岩佐和晃
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 大阪府立大
  • 年月日: 2010-09-25
• [学会発表] パイロクロア酸化物Nd_2Ir_2O_7における金属絶縁体転移の粉末中性子散乱による研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔、綿引正倫、岩佐和晃、松平和之、分島亮、日夏幸雄、高木精志
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 大阪府立大
  • 年月日: 2010-09-24
• [学会発表] 幾何学的フラストレーションが引き起こす新奇Co軌道状態の研究に関する提案-スピネル酸化物GeCo_2O_4- (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: CMRC「強相関電子系における軌道混成秩序とその外場応答」研究会
  • 発表場所: KEK(つくば)
  • 年月日: 2010-05-31
• [学会発表] 幾何学的フラストレート系におけるスピン励起と格子振動の中性子非弾性散乱研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: CMRC「幾何学的電子相関プロジェクト」ミニ研究会
  • 発表場所: 東大物性研(柏)
  • 年月日: 2010-05-27
• [学会発表] 幾何学的フラストレート系におけるスピン励起と格子振動の中性子非弾性散乱研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔
  • 学会等名: 特定領域研究「フラストレーションが創る新しい物性」平成22年度立ち上げ全体会議
  • 発表場所: 理化学研究所(和光)
  • 年月日: 2010-05-11
• [産業財産権] 単結晶製造方法および大型単結晶 (2011)
  • 発明者名: 池田伸一、堀口悟史、梅山規男、佐藤博彦、八木翔太
  • 権利者名: 産業技術総合研究所、中央大学
  • 産業財産権番号: 2011-079087
  • 出願年月日: 2011-03-31