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2017 年度 実績報告書

スピン系の量子相と量子磁気励起

研究課題

研究課題/領域番号 17H01142
研究機関東京工業大学

研究代表者

田中 秀数  東京工業大学, 理学院, 教授 (80188325)

研究分担者 栗田 伸之  東京工業大学, 理学院, 助教 (80566737)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2022-03-31
キーワードスピン系 / 量子相転移 / 量子相 / 磁気励起 / フラストレーション / 量子効果
研究実績の概要

スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9の磁気励起の全体像を中性子非弾性散乱実験で解明した。分数スピン励起を強く示唆し,新しいフレームワークの理論の必要性を指摘した重要な結果である。一軸性単イオン異方性による基底一重項を持つ反強磁性体CsFeBr3の磁場誘起磁気秩序の臨界現象を希釈冷凍機温度までの低音で比熱測定行なって調べ,Bose-Einstein凝縮の臨界挙動に完全に一致することを実証した。弱い容易面型異方性を持つ擬二次元強磁性体K3CuF4の磁場中磁気相転移を磁化測定と比熱測定で詳細に調べ擬二次元Bose-Einstein凝縮の臨界挙動に一致することを示した。スピン1/2三角格子反強磁性体と蜂の巣格子Ising反強磁性体の2つの部分系から構成されるBa2CoTeO6の磁気励起を多周波数高磁場電子スピン共鳴で詳細に調べ,三角格子反強磁性体に特徴的な集団励起と蜂の巣格子Ising反強磁性体に特徴的は局在励起を観測した。これらの結果はいずれも論文として発表した。スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9は量子揺らぎに起因する磁場中相転移を起こす。この磁場中量子相転移をBerlinのHelmholtz Centerの高磁場マグネットを用いた中性子弾性散乱で調べ,磁化測定で観測された相転移を確認した。さらに三角格子反強磁性体Ba2La2MTe2O12 (M=Co, Ni, Mn, Fe)を初めて合成し,その結晶構造を粉末X線回折で決定した。また,Ba2La2MTe2O12の強磁場磁化測定を行い,三角格子量子反強磁性体に特徴的な量子揺らぎに起因する1/3磁化プラトーを観測した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9の磁気励起の全体像を中性子非弾性散乱実験で解明したことは長年にわたる問題に実験的な解答を与えたもので,大きな成果といえる。また,新規三角格子反強磁性体のファミリーBa2La2MTe2O12 (M=Co, Ni, Mn, Fe)を開拓したことも重要な成果である。より詳しい研究を行うには,単結晶が不可欠である。現在,Ba2La2MTe2O12の単結晶育成を行なっている。Kitaev模型のモデル物質として注目を浴びているRuCl3の集団磁気励起とg値を多周波数高磁場電子スピン共鳴で観測することができた。さらに,他機関との共同研究でKitaev模型に特徴的な熱ホール効果の量子化も実験で観測に成功した。また,我々が開拓した新規スピンダイマー磁性体Ba2CuSi2O6Cl2の磁気励起を測定し,トリプレット励起にバンドギャップが開くという新しい現象を観測し,その起源がダイマー間相互作用に交代にあることを突き止めた。さらにバンドギャップ周辺の分散関係のトポロジーからチャーン絶縁体に類似した端状態が生ずる可能性が分かってきた。これらの結果はいずれも磁性研究のみならず物性物理学の最先端を行くもので,将来の発展性が期待できる成果であると考えられる。

今後の研究の推進方策

スピン1/2三角格子Heisenberg反強磁性体Ba3CoSb2O9のゼロ磁場での磁気励起の全体像を中性子非弾性散乱実験で捉えたが,磁場中での磁気励起の変化は未解明である。今後は磁場中での磁気励起の測定が可能な海外の施設を利用して,Ba3CoSb2O9の磁場中磁気励起の全容解明を行う。新規三角格子反強磁性体のファミリーBa2La2MTe2O12 (M=Co, Ni, Mn, Fe)については,まず単結晶育成を行い,それを用いた磁化測定と熱測定を行う。続いて中性子散乱実験で磁気励起を捉える。また,新規スピンダイマー磁性体Ba2CuSi2O6Cl2の磁気励起の結果の解析を進め,分散関係のトポロジーがもたらすことが予想される熱ホール効果などの新規現象を実験的に捉える。更に,spinギャップ系の磁場誘起Bose-Einstein凝縮相におけるspinスーパーカレントの観測を行うための実験を進める。最後に,これまでと同様に,新物質開拓を鋭意進める。具体的な目標は1) Kitaev模型のモデル物質,2) 交換相互作用のランダムネスがもたらす量子無秩序状態を基底状態の持つ系,3) 磁化プラトーやspin液体状態を示すことが期待される面心立方格子や籠目格子量子反強磁性体などである。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 4件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Bragg Institute(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      Bragg Institute
  • [国際共同研究] Mahidol University/Songkhla Rajabhat University(タイ)

    • 国名
      タイ
    • 外国機関名
      Mahidol University/Songkhla Rajabhat University
  • [国際共同研究] NIST Center for Neutron Research(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      NIST Center for Neutron Research
  • [雑誌論文] Bose-Einstein condensation of lattice bosons in spin-1/2 XXZ ferromagnet K2CuF42017

    • 著者名/発表者名
      S. Hirata, N. Kurita, M. Yamada and H. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 95 ページ: 174406 (1-5)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.174406

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetoelectric effect in the quantum spin gap system TlCuCl32017

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura, K. Kakihata, Y. Sawada, K. Watanabe, M. Matsumoto, M. Hagiwara and H. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 95 ページ: 184420 (1-7)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.184420

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-field magnetization and magnetic phase diagram of α-Cu2V2O72017

    • 著者名/発表者名
      G. Gitgeatpong, M. Suewattana, S. Zhang, A. Miyake, M. Tokunaga, P. Chanlert, N. Kurita, H. Tanaka, T. J. Sato, Y. Zhao and K. Matan
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 95 ページ: 245119 (1-10)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.245119

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetic thermal conductiveity far above the Neel temperatures in the Kitaev-magnet candidate α-RuCl32017

    • 著者名/発表者名
      D. Hirobe, M. Sato, Y. Shiomi, H. Tanaka and E. Saitoh
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 95 ページ: 241112(R) (1-6)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.241112

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structure of the magnetic excitations in the spin-1/2 triangular-lattice antiferromagnet Ba3CoSb2O92017

    • 著者名/発表者名
      S. Ito, N. Kurita, H. Tanaka, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, S. Itoh, K. Kuwahara and K. Kakurai
    • 雑誌名

      Nat. Commun.

      巻: 8 ページ: 235 (1-6)

    • DOI

      https://www.nature.com/articles/s41467-017-00316-x

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Collective and local excitations in Ba2CoTeO6: a composite system of spin-1/2 triangular-lattice Heisenberg and honeycomb-lattice J1-J2 Ising antiferromagnets2017

    • 著者名/発表者名
      P. Chanlert, N. Kurita, H. Tanaka, M. Kimata and H. Nojiri
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 96 ページ: 064419 (1-6)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.064419

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Universality of magnetic-field-induced Bose-Einstein condensation of magnons2017

    • 著者名/発表者名
      K. Shirasawa, N. Kurita and H. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 96 ページ: 144404 (1-5)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.144404

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of magnetic field and hydrostatic pressure on the distorted triangular lattice antiferromagnet RbFeBr32017

    • 著者名/発表者名
      N. Kurita and H. Tanaka
    • 雑誌名

      J. Phys: Conf. Ser.

      巻: 828 ページ: 012002 (1-6)

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1742-6596/828/1/012002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-field 1H-NMR study around a 1/4 plateau of quantum spin dimer system NH4CuCl32017

    • 著者名/発表者名
      K. Matsui, M. Fujisawa, H. Tanaka, R. Scheuermann and T. Goto
    • 雑誌名

      J. Phys: Conf. Ser.

      巻: 828 ページ: 012011 (1-6)

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1742-6596/828/1/012011

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] EPR study of the triangular-lattice antiferromagnet Cs2CuBr42017

    • 著者名/発表者名
      E. Schulze, A. N. Ponomaryov, J. Wosnitza, H. Tanaka and S. A. Zvyagin
    • 雑誌名

      Low Temp. Phys.

      巻: 43 ページ: 1311-1314

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5010318

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] The Whole Picture of Magnetic Excitations in an S=1/2 Triangular-Lattice Heisenberg Antiferromagnet Ba3CoSb2O92017

    • 著者名/発表者名
      H. Tanaka, S. Ito, N. Kurita, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, S. Itoh, K. Kuwahara, K. Kakurai
    • 学会等名
      Int. Conf. Neutron Scattering
    • 国際学会
  • [学会発表] Localized Magnetic Excitations in the S=1/2 Fully Frustrated Dimerized Magnet Ba2CoSi2O6Cl22017

    • 著者名/発表者名
      N. Kurita, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, D. Yamamoto, T. Kanetaka, N. Furukawa, H. Tanaka
    • 学会等名
      Int. Conf. Neutron Scattering
    • 国際学会
  • [学会発表] Dispersionless excitations and crystallization of triplons in dimerized quantum magnet Ba2CoSi2O6Cl22017

    • 著者名/発表者名
      H. Tanaka
    • 学会等名
      International Workshop Flatband Networks in Condensed Matter and Photonics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] S=1擬2次元スピンダイマー系Ba2NiSi2O6Cl2の多周波ESR2017

    • 著者名/発表者名
      田中秀数, 小池暢人, 栗田伸之, 渡邊正理, 赤木暢, 奥谷顕, 萩原政幸
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] フラストレーションの強いS=1スピンダイマー磁性体Ba2NiSi2O6Cl2における磁気励起2017

    • 著者名/発表者名
      栗田伸之, 那波和宏, 佐藤卓, 河村聖子, 中島健次, 田中秀数
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-02-28  

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