量子スピン系の磁場誘起現象とフラストレーションの効果

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13130201
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 上田 寛 東京大学, 物性研究所, 教授 (20127054)
• 研究分担者: 滝川 仁 東京大学, 物性研究所, 教授 (10179575) ; 後藤 恒明 東京大学, 物性研究所, 教授 (30005962) ; 上田 和夫 東京大学, 物性研究所, 教授 (70114395) ; 加倉井 和久 日本原子力研究所, 先端基礎センター, 主任研究員 (00204339)
• キーワード: 磁性 / 磁場誘起現象 / 低次元量子スピン系 / 低温物性 / フラストレーション / 起動秩序 / 量子相転移

研究概要

スピン1/2の擬1次元磁性体NaTiSi_2O_6において見出したスピン・パイエルス的転移について、転移前後の結晶構造解析から軌道秩序(ヤーン・テラー歪による軌道縮退の融解)が引き金となりこの転移が起こることを明らかにした。また、スピン1/2の3次元フラストレート系スピネル物質MgTi_2O_4において見出したパイエルス的転移やAサイト秩序型ペロフスカイトMn酸化物YBaMn_2O_6において見出した構造相転移には軌道秩序が起因していることを明らかにした。
極低温強磁場磁化測定においては、ランダム交替鎖系(CH_3)_2CHNH_3Cu(Cl_xBr_<1-x>)_3で、Clリッチ側で多段の磁化プラトーを観測し、Brリッチ側ではClの増加とともにスピンギャプが減少することを見いだした。また、幾何学的フラストレーッションを有するパイロクロア格子系物質CdCr_2O_4では飽和磁化の1/2の磁化プラトーを初めて観測した。プラトーにおける磁気構造は、Crスピンがカゴメおよび三角格子面内で強磁性、面間で反強磁性配列をとると推測される。
核磁気共鳴(NMR)による量子スピン系の磁気構造やスピンダイナミクスの微視的解明では、特に2次元直交ダイマー系SrCu_2(BO_3)_2について強磁場・低温下(28テスラ、35ミリケルビン)のNMRを行い、1/8磁化プラトー状態のスピン超構造を決定し、この状態への相転移の特異な性格を明らかにした。
理論的には、Liv_2O_4の重い電子系的な振る舞いについて、パイロクロア格子上のt_<2g>軌道ハバード模型を考え、そのスピン、軌道、結合モードのゆらぎによって、低温の電子比熱係数が実験で見出されている程度に増強され得ることを示した。また、SrCu_2(BO_3)_2で実現している直交ダイマー系の量子相転移の様相、磁化プラトーの起源について議論した。

研究成果

• [文献書誌] M.Isobe, E.Ninomiya, A.N.Vasil'ev, Y.Ueda: "Novel Phase Transition in Spin-1/2 Linear Chain System : NaTiSi_2O_6 LiTiSi_2O_6"J.Phys.Soc.Jpn.. 71. 1423-1426 (2002)
• [文献書誌] K.Kodama, J.Yamazaki, M.Takigawa, H.Kageyama, K.Onizuka, Y.Ueda: "Cu Nuclear spin-spin coupling in the dimer singlet state in SrCu_2(BO_3)_2"J.Phys.:Condens.Matter. 14. L319-L325 (2002)
• [文献書誌] S.Miyahara, K.Ueda: "Theory of Orthogonal Dimer Heisenberg Spin Model for SrCu_2(BO_3)_2"J.Phys.:Condens.Matter. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] M.Isobe, Y.Ueda: "Observation of Phase Transition from Metal to Spin-Singlet Insulator in MgTi_2O_4 with S=1/2 Phyrochlore Lattice"J.Phys.Soc.Jpn.. 71. 1848-1851 (2002)
• [文献書誌] K.Kodama, M.Takigawa 他7名: "Magnetic Structure in the Two-dimensional Quantum Antiferromagnet SrCu_2(BO_3)_2"Science. 298. 395-399 (2002)
• [文献書誌] M.Uchida, H.Tanaka, H.Mitamura, F.Ishikawa, T.Goto: "High field Magnetization Procces in an S=1 Quantum Spin System B_3Mn_2O_8"Phys.Rev.. B66. 054429/1-054429/6 (2002)