スピン系の量子相と量子磁気励起

2021 年度 実績報告書

• 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 / フラストレーション / 量子効果 / 磁気励起

研究実績の概要

スピン1/2三角格子Heisenberg的反強磁性体 (TLHAF) とIsing的な蜂の巣格子反強磁性体の2つのサブシステム (A, B) からなる磁性体Ba2CoTeO6の磁気励起の解析を行い，両サブシステムは磁気的に殆ど完全に分離していることを確認した。また，蜂の巣格子反強磁性体であるサブシステム Bのスペクトルをスピン波理論で再現し，交換相互作用の詳細を明らかにした。更に，スピン1/2 TLHAFであるサブシステムAの磁気励起スペクトルがススピン1/2 TLHAFのモデル物質の１つであるBa3CoSb2O9の磁気励起スペクトルを殆ど同じである事から，これらで見られた磁気励起スペクトルがスピン1/2 TLHAFに普遍的である事を示した。
スピン1/2の籠目格子Heisenberg的反強磁性体 (KLHAF) Cs2Cu3SnF12の磁気励起の詳しい解析を行った。４つ単一マグノン励起の存在を確認した。スピノン励起に基づく理論との比較から，３つが横モードで１つが縦モードであると考えられる。また，強度の波数依存性が殆どない連続励起が低エネルギーから高エネルギーまで続いていることを確認し，高エネルギー端がスピノン励起に基づく理論と一致する事を見出した。更に，格子歪みのために基底状態がsinglet状態であるRb2Cu3SnF12の高エネルギー磁気励起にも同じ特徴がある事を確認し，観測された高エネルギー連続励起の特徴はスピン1/2KLHAFに普遍的である事を示した。
京都大学と東京大学のグループと共同でKitaevモデルの候補物質であるα-RuCl3の熱ホール効果と磁場中比熱測定の磁場角度依存性を詳細に測定し，蜂の巣格子面内の磁場方向に変化によるトポロジカル相転移とそれに伴う熱ホール係数の量子化の符号変化と観測した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] KAIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KAIST
• [国際共同研究] Max Planck Institute/Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute/Helmholtz-Zentrum Berlin
• [国際共同研究] Sun Yat-Sen University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Sun Yat-Sen University
• [国際共同研究] LNCMI / CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LNCMI / CNRS
• [国際共同研究] Mahidol University(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: Mahidol University
• [雑誌論文] Thermodynamic evidence for a field-angle dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid (2022)
  • 著者名/発表者名: O. Tanaka, Y. Mizukami, R. Harasawa, K. Hashimoto, N. Kurita, H. Tanaka, S. Fujimoto, Y. Matsuda, E.-G. Moon and T. Shibauchi
  • 雑誌名: Nat. Phys. 巻: 18 ページ: 429-435
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01488-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnons and spinons in Ba2CoTeO6: A composite system of isolated spin-1/2 triangular Heisenberg-like and frustrated honeycomb Ising-like antiferromagnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kojima, N. Kurita, H. Tanaka and K. Nakajima
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 ページ: L020408 (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L020408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contrasting magnetic structures in SrLaCuSbO6 and SrLaCuNbO6: spin-1/2 square-lattice J1－J2 Heisenberg antiferromagnets (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Watanabe, N. Kurita, H. Tanaka, W. Ueno, K. Matsui, T. Goto and M. Hagihala
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 ページ: 054414 (1-12)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.054414
  • 査読あり
• [雑誌論文] Robustness of the thermal Hall effect close to half-quantization in a field-induced spin liquid state (2022)
  • 著者名/発表者名: J. A. N. Bruin, R. R. Claus, Y. Matsumoto, N. Kurita, H. Tanaka and H. Takagi
  • 雑誌名: Nat. Phys. 巻: 18 ページ: 401-405
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01501-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structures of magnetic excitations in the spin-1/2 kagome-lattice antiferromagnets Cs2Cu3SnF12 and Rb2Cu3SnF12 (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, R. Takagishi, N. Kurita, M. Watanabe, H. Tanaka, R. Nomura, Y. Fukumoto, K. Ikeuchi, and R. Kajimoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 ページ: 064424 (1-15)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.064424
• [雑誌論文] Continuous control of classical-quantum crossover by external high pressure in the coupled chain compound CsCuCl3 (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Yamamoto, T. Sakurai, R. Okuto, S. Okubo, H. Ohta, H. Tanaka, and Y. Uwatoko
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 12 ページ: 4263 (1-9)
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24542-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material α-RuCl3 (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yokoi,_S. Ma, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Shibauchi, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, C. Hickey, S. Trebst, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Science 巻: 373 ページ: 568-572
  • DOI: 10.1126/science.aay5551
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] スピン1/2フラストレート量子反強磁性体におけるボンドランダムネスの効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 渡邊正理，栗田伸之，児島佑樹，齋藤睦己，伊藤孝，髭本亘，中村惇平，幸田章宏，田中秀数
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] S=1/2カゴメ格子反強磁性体Cs2Cu3SnF12におけるスピノン励起 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤睦己，高岸龍之介，栗田伸之，渡邊正理，野村竜司，福元好志，池内和彦，梶本亮一，田中秀数
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] スピン1/2 Heisenberg 三角格子・Ising ハニカム格子複合反強磁性体Ba2CoTeO6のマグノンとスピノン (2022)
  • 著者名/発表者名: 児島佑樹，栗田伸之，田中秀数，中島健次
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] 三角格子反強磁性体Ba3CoSb2O9の磁場中量子相転移 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中秀数
  • 学会等名: 第8回西日本強磁場科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 強磁場と中性子散乱で探る三角格子量子反強磁性体の基底状態と素励起 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中秀数
  • 学会等名: 第8回強磁場コラボラトリーオンラインセミナー
  • 招待講演