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本研究では量子スピン系における量子効果がもたらす現象の新しい特徴を明らかにし、さらにそれらの機構の解明を行った。特に、量子効果が顕著な系として、一次元反強磁性ハイゼンベルグ模型を中心に現象研究を進めた。まず、空間的な不均一性がどのようにスピンの秩序構造に影響するかについて均一な相互作用をもつ一次元反強磁性ハイゼンベルグ模型における格子端効果、相互作用の大小が交替的に変化するボンド交替反強磁性ハイゼンベルグ模型における交替欠陥の効果について調べた。特に、後者では欠陥の種類によらず、欠陥の付近にスピン1/2の磁化が誘起されることがわかった。これらの磁化はナノスケール磁性分子と同様にそれぞれの間にほとんど相互作用のない独立な磁化とみなすことができ、それらがどのように外部磁場に応答するか、またその際のノイズ効果についても調べた。また、相互作用が強い系における電子スピン共鳴における量子効果についても研究を進め、反強磁性クラスターが示す共鳴線の磁場依存性が、従来のいわゆる反強磁性共鳴の他に、常磁性共鳴が共存しうることを示した。また、梯子格子やボンド交替鎖における共鳴の特徴も明らかにした。さらに、格子とスピン系の相互作用によって起こるスピンパイエルス転移における秩序形成の様子について量子モンテカルロ法による研究も行い、どのようにしてスピンパイエルス状態が有限温度で現れてくるかを明らかにした。また、これまでほとんど知られていなかったS=1のスピンパイエルス転移についても調べ、格子ひずみのないハルデーン状態とボンド交替差でのダイマー状態のどちらかが格子のばね定数によって選ばれることを発見した。さらにこの二つの状態の移り変わりは一次転移であることも見出した。
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