カゴメ格子反強磁性体のESR禁制遷移を利用したスピンギャップ観測の理論的研究

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K05419
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 坂井 徹 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (60235116)
• 研究分担者: 中野 博生 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (00343418) ; 利根川 孝 神戸大学, 理学研究科, 名誉教授 (80028167)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 量子スピン系 / 量子スピン液体 / フラストレーション / カゴメ格子反強磁性体 / 電子スピン共鳴

研究実績の概要

高温超伝導の起源として提唱された量子スピン液体が注目されている。この量子スピン液体を実現する有力な候補物質として、カゴメ格子反強磁性体の研究が盛んにおこなわれている。このカゴメ格子反強磁性体で実現する量子スピン液体の理論的描像として、U(1)ディラックスピン液体、及びZ2トポロジカルスピン液体と呼ばれる二つの理論が提案されているが、どちらが正しいか、未だに決着がついていない。前者は、スピン励起のエネルギースペクトルがギャップレスであるのに対し、後者はスピンギャップと呼ばれるエネルギーギャップが存在する。そこで、このスピンギャップの有無を解明することにより、どちらの理論が正しいか、決着をつけるのが、本研究の目的であった。スピンギャップを検出する有力な手段として、電子スピン共鳴（ESR)があるが、従来のESRでは、スピン量子数の異なる状態間の遷移であるスピンギャップは観測できない。しかし、カゴメ格子反強磁性体では、結晶の対称性から、ジャロシンスキー・守谷相互作用と呼ばれる異方性が存在するため、スピンの保存則が破れ、この禁制遷移に相当するスピンギャップが観測できるというのが、本研究の重要な要素である。本研究では、この結晶の対称性から推定されるジャロシンスキー・守谷相互作用を仮定し、結晶軸・磁場・入射波の偏極の相対的な角度に依存する、禁制遷移の選択則を、理論模型の数値計算により導いた。この選択則に基づいて、これらの相対角度を変えたESR測定を行うことにより、カゴメ格子反強磁性体のスピンギャップの有無を解明する検証実験を提案した。この検証実験が実行されれば、実存するカゴメ格子反強磁性体のスピンギャップの有無が解明され、U(1)ディラックスピン液体が正しいのか、Z2トポロジカルスピン液体が正しいのか、明確になるであろう。

研究成果

• [雑誌論文] Analysis of Rashba Effect on Au(111) Model Surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Masaki、Shima Nobuyuki、Makoshi Kenji、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 034604～034604
  • DOI: 10.7566/JPSJ.88.034604
  • 査読あり
• [雑誌論文] From kagome strip to kagome lattice: Realizations of frustrated S=12 antiferromagnets in Ti(III) fluorides (2019)
  • 著者名/発表者名: Jeschke Harald O.、Nakano Hiroki、Sakai T?ru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 140410(R)-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.140410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-1/2 Triangular-Lattice Heisenberg Antiferromagnet with \(\sqrt{3} \times \sqrt{3} \)-Type Distortion ? Behavior around the Boundaries of the Intermediate Phase (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimada Alisa、Nakano Hiroki、Sakai T?ru、Yoshimura Kazuyoshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 034706～034706
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.034706
  • 査読あり
• [雑誌論文] The <i>S</i> = 1/2 Heisenberg Antiferromagnet on a Triangular Lattice with √3 × √3-Type Distortion?Magnetization Process and Magnetic Susceptibility? (2018)
  • 著者名/発表者名: SHIMADA Alisa、NAKANO Hiroki、SAKAI Toru、YOSHIMURA Kazuyoshi
  • 雑誌名: Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy 巻: 65 ページ: 3～9
  • DOI: 10.2497/jjspm.65.3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Spin Fluid Behaviors of the Kagome- and Triangular-Lattice Antiferromagnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai T?ru、Nakano Hiroki
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 969 ページ: 012127～012127
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012127
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spontaneous Magnetization of the Spin-1/2 Heisenberg Antiferromagnet on the Triangular Lattice with a Distortion (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimada Alisa、Sakai T?ru、Nakano Hiroki、Yoshimura Kazuyoshi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 969 ページ: 012126～012126
  • DOI: 10.1088/1742-6596/969/1/012126
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gapless spin excitations in the S=1/2 Kagome- and triangular-lattice Heisenberg antiferromagnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai T?ru、Nakano Hiroki
  • 雑誌名: Physica B: Condensed Matter 巻: 536 ページ: 85～88
  • DOI: 10.1016/j.physb.2017.08.058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical-Diagonalization Study of Magnetization Process of Frustrated Spin-1/2 Heisenberg Antiferromagnets in Two Dimensions: ?Triangular- and Kagome-Lattice Antiferromagnets? (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Sakai T?ru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 063706～063706
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.063706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precise Estimation of the S = 2 Haldane Gap by Numerical Diagonalization (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Sakai Toru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 105002～105002
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.105002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground-State Phase Diagram of an Anisotropic S = 1/2 Ladder with Different Leg Interactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Tonegawa Takashi、Hikihara Toshiya、Okamoto Kiyomi、Furuya Shunsuke C.、Sakai T?ru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 104002～104002
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.104002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Third Boundary of the Shastry?Sutherland Model by Numerical Diagonalization (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakano Hiroki、Sakai T?ru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 123702～123702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.123702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground state with nonzero spontaneous magnetization of the two-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnet with frustration (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai Toru、Nakano Hiroki
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 ページ: 101408～101408
  • DOI: 10.1063/1.5042780
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metamagnetic jump in the spin-12 antiferromagnetic Heisenberg model on the square kagome lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Yasumasa、Nakano Hiroki、Sakai T?ru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 014404-1～9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.014404
  • 査読あり
• [学会発表] Magnetization Process of the Triangular- and Kagome-Lattice Antiferromagnets (2019)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] S=2反強磁性鎖の磁化プラトー (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂井徹
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] The Numerical Study of Quantum Phase Transitions of the Heisenberg Antiferromagnet on a Frustrated Two Dimensional Lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: International Conference on Magnetism (ICM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Exotic Quantum Spin Liquid of Kagome Lattice Antiferromagnet (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: International Conference on Coordination Chemistry (ICCC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Field Induced Spin Nematic Phase of Low Dimensional Magnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: The 16th International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on the Kagome-Lattice Antiferromagnet and related systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: Institute Laue-Langevin Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical Diagonalization Study on Frustrated Quantum Spin Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: Seminar of Field Theory and Condensed Matter
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Field Induced Spin Nematic Phases in Low Dimensional Quantum Antiferromagnets (2018)
  • 著者名/発表者名: Toru Sakai
  • 学会等名: International Workshop on j-fermion Physics and Materials
  • 国際学会
• [備考] 量子科学技術研究開発機構 放射光科学研究センター量子シミュレーション研究グループ
  • URL: http://cmt.spring8.or.jp/index.shtml