S = 1/2カゴメ格子反強磁性体の特異な量子スピン液体状態の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K17686
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 助教 (30566758)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: カゴメ格子反強磁性体 / フラストレーション / スピン液体

研究実績の概要

CaカペラサイトCaCu3(OH)6Cl2・0.6H2Oは歪み、乱れのないS = 1/2カゴメ格子反強磁性体のモデル物質であり、磁気フラストレーションと量子揺らぎに起因したスピン系の新奇磁気状態の探索と性質の解明を目的として研究を行った。H27年度までの研究で最大6 mm程度の単結晶の育成に成功しており、H28年度はそれを用いた物性測定を行った。
磁化、比熱測定の結果、CaカペラサイトはT* = 7 Kに磁気異常が生じることが明らかとなった。この温度で、ab面に平行に磁場を印可した磁化率は低磁場でカスプを示し、3 T以上の高磁場では磁化は弱い磁化を有し飽和した。一方で、比熱にはT*に小さいピークが観測されており、7 Kで磁気転移を示す。また、本物質は絶縁体であるが、T*以下に比熱の温度比例項が存在する事を見出した。この事はCaカペラサイトの磁気状態が通常の磁気秩序とは異なり、特異な磁気励起を有する事を示している。大阪大学先端強磁場科学研究センターで行った70 Tまでのパルス強磁場磁化測定からはメタ磁性やS = 1/2カゴメ格子反強磁性体で予想されている磁化プラトーは観測されなかった。
Caカペラサイトはカゴメ格子上で競合する磁気相互作用J1、J2、Jdを有しており、古典モデルで計算されたJ1-J2-Jd磁気相図においてq = 0、√3×√3構造、Cuboc2構造の相境界近傍に位置している。この事は量子臨界点近傍でCaカペラサイトの特異な磁気状態が実現した事を示している。
本課題は当初予定した計画よりも大きく進展し、理想的な量子カゴメ格子反強磁性体においてスピン液体的な磁気励起を有する特異な磁気状態を実験的に観測することに成功した。本成果はJournal of the Physical Society of Japan誌に論文として掲載されている。

研究成果

• [国際共同研究] Oak Ridge National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Oak Ridge National Laboratory
• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Rutherford Appleton Laboratory
• [国際共同研究] ANSTO(Australia)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: ANSTO
• [雑誌論文] Unusual Magnetic State with Dual Magnetic Excitations in the Single Crystal of S = 1/2 Kagome Lattice Antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, N. Noguchi, Y. Matsushita, Y. Ishii, Y. Ihara, M. Oda, H. Okabe, S. Yamashita, Y. Nakazawa, A. Takata, T. Kida, Y. Narumi, and M. Hagiwara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 033704-1~5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.86.033704
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] S = 1/2カゴメ格子反強磁性体CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2Oの35Cl-NMRによる研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行, 井原慶彦, 野口直彌, 石井裕人, 高田篤, 木田孝則, 鳴海康雄, 萩原政幸, 河本充司, 佐々木孝彦, 小田研
  • 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(大阪府・豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 量子スピン液体CaCu3(OD)6Cl20.6D2Oにおける磁気励起 (2017)
  • 著者名/発表者名: 飯田一樹, 吉田紘行, David J. Voneshen, 野口直彌, 石井裕人, 小田研, 中島健次
  • 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(大阪府・豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] S = 1/2カゴメ格子反強磁性体CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O単結晶の磁性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行, 野口直彌, 石井裕人, 片岡萌子, 小田研, 岡部博孝, 飯田一樹, 山下智史, 中澤康浩, 高田篤, 木田孝則, 鳴海康雄, 萩原政幸
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学(石川県・金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Magnetic properties of S = 1/2 kagome lattice antiferromagnet CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, N. Noguchi, Y. Ishii, M. Oda, H. Okabe, S. Yamashita, Y. Nakazawa, A. Takata, T, Kida, Y. Narumi, M. Hagiwara
  • 学会等名: International conference on Highly Frustrated Magnetism 2016
  • 発表場所: Taipei(Taiwan)
  • 年月日: 2016-09-07 – 2016-09-11
  • 国際学会
• [備考]
  • URL: https://phys.sci.hokudai.ac.jp/~yoshida/