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2016 年度 実施状況報告書

量子情報理論とテンソル積変分法を用いたフラストレート・ランダム量子多体系の研究

研究課題

研究課題/領域番号 15K05198
研究機関群馬大学

研究代表者

引原 俊哉  群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (00373358)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワードフラストレート量子スピン系 / ランダム量子スピン系 / 密度行列繰り込み群法 / 実空間繰り込み群法 / テンソルネットワーク
研究実績の概要

2次元ランダム量子スピン系を解析するための、実空間繰り込み群法の改良を行った。これまでのアルゴリズムでは、繰り込まれるブロックの局所ハミルトニアンの低エネルギー固有状態を用いてブロック状態を記述していた。今回我々は、繰り込まれるブロックとその周辺のブロックとのエンタングルメントを取り込んだ密度行列の固有状態を用いてブロックを記述するという改良を提案し、その改良されたアルゴリズムによる数値計算を行うことで、これまでのアルゴリズムの計算よりも低い変分エネルギーを達成できることを示した。また、ブロック間エンタングルメントを定量化することで、ブロック繰り込みの順序を決定する方法についての指針を得ることができた。後者は、今回の研究で用いている実空間繰り込み群におけるテンソルツリーネットワークの構造最適化を可能とするものとして、更なるアルゴリズム改良の可能性を拓く結果と考えられる。
また、強磁性的に相互作用した2つのS=1/2スピン(強磁性スピンダイマー)をユニットとしたフラストレート量子スピン系の研究を行った。2次元格子上の系に対する解析的研究により、この系のいくつかのパラメータ点において、スピンネマティック長距離秩序をもった基底状態が実現されることを明らかにした。また、1次元梯子格子上の系に対する解析的、数値的研究を行い、この系において、スピンネマティック準長距離秩序をもつ朝永=ラッティンジャー流体相など、様々な量子秩序・無秩序相が実現されることを示した。このうち2次元系に対する結果は、スピンネマティック秩序相を実現する系の新たなカテゴリを提案するものとして、重要な意味をもつといえる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成28年度の研究における一番の進展は、2次元ランダム量子スピン系に適用可能な改良版実空間繰り込み群法のコード実装が挙げられる。この手法による計算を実際に行い、高精度計算の安定的かつ効率的な実現を可能にしたことは、本研究課題の目的である、2次元ランダム系解析用の数値計算手法の確立に向けた大きな前進であるといえる。
また、2次元格子上の強磁性ダイマー・フラストレート量子スピン系におけるスピンネマティック長距離秩序相の出現を明らかにした結果も、本研究課題のもう一つの目的である、フラストレート量子スピン系における新奇量子秩序相の探索という観点から見て、大きな進展を与える結果と評価できる。ただし、この2次元フラストレート量子スピン系を解析するためのテンソルネットワーク繰り込み群アルゴリズムの開発については、まだその計算の実現には至っておらず、それについては今後の課題となる。
以上を踏まえて、平成28年度の研究の進捗状況を「(2)おおむね順調に進展している」と評価する。

今後の研究の推進方策

平成28年度の研究で開発した、改良版実空間繰り込み群法のアルゴリズムの更なる改良を行い、2次元ランダム量子スピン系の研究を推進する。具体的には、ブロック間エンタングルメントを指標に用いたブロック繰り込み順序の決定アルゴリズムを定式化し、系を記述するテンソルツリーネットワークの最適化を行う。そして、その改良したアルゴリズムを用いて、2次元ランダム量子スピン系に対する、ランダムネスの強さをパラメータとした基底状態相図を作成する。
また、強磁性ダイマー・フラストレート量子スピン系における新奇量子相の探索を行う。2次元格子上の系について、平成28年度の研究で発見したスピンネマティック秩序相を含んだパラメータ空間に対する数値的変分計算を行い、この系の基底状態相図を作成する。

次年度使用額が生じた理由

研究の実施・進捗状況に合わせて、国際会議への参加予定を変更し、また、国内研究打ち合わせ出張の日程・回数を調整したため

次年度使用額の使用計画

国際会議における研究成果発表への使用を計画している。また、改良版実空間繰り込み群法を用いた解析で得られると予想される、大量の数値データを効率的に処理するための計算機の購入も予定している。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Exact Ground States of Frustrated Quantum Spin Systems Consisting of Spin-Dimer Units2017

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Hikihara, Takashi Tonegawa, Kiyomi Okamoto, and Toru Sakai
    • 雑誌名

      Journal of Physical Society of Japan

      巻: 86 ページ: 054709-1-8

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.86.054709

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Frustrated S=1/2 Two-Leg Ladder with Different Leg Interactions2017

    • 著者名/発表者名
      Takashi Tonegawa, Kiyomi Okamoto, Toshiya Hikihara, and Toru Sakai
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 828 ページ: 012003-1-8

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1742-6596/828/1/012003

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] ランダム量子スピン系解析のための実空間繰り込み群法の改良 II2017

    • 著者名/発表者名
      引原俊哉
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-20 – 2017-03-20
  • [学会発表] 脚相互作用が異なった異方的 S=1/2 2本脚ラダーの基底状態相図 III2017

    • 著者名/発表者名
      利根川孝, 引原俊哉, 岡本清美, 坂井徹
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-20 – 2017-03-20
  • [学会発表] 一次元フラストレート量子スピン系におけるカイラリティ・スピン多極子秩序2016

    • 著者名/発表者名
      引原俊哉
    • 学会等名
      量子スピン系研究会
    • 発表場所
      福井大学文京キャンパス(福井県福井市)
    • 年月日
      2016-12-02 – 2016-12-02
    • 招待講演
  • [学会発表] Bell-Bond-Solid状態2016

    • 著者名/発表者名
      引原俊哉
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-14
  • [学会発表] ランダム量子スピン系解析のための実空間繰り込み群法の改良2016

    • 著者名/発表者名
      引原俊哉
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-14
  • [学会発表] 脚相互作用が異なった異方的 S=1/2 2本脚ラダーの基底状態相図 II2016

    • 著者名/発表者名
      利根川孝, 引原俊哉, 岡本清美, 坂井徹
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-13
  • [備考] 研究者個人Webページ

    • URL

      http://www.sci.st.gunma-u.ac.jp/%7Ehikihara/

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公開日: 2018-01-16  

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