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2018 年度 実績報告書

量子磁性体の電気磁気効果と非相反応答

研究課題

研究課題/領域番号 17H02917
研究機関東北大学

研究代表者

木村 尚次郎  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20379316)

研究分担者 川股 隆行  東北大学, 工学研究科, 助教 (00431601)
田中 秀数  東京工業大学, 理学院, 教授 (80188325)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード電気磁気効果 / 量子スピン系
研究実績の概要

TlCuCl3のマグノンボースアインシュタイン凝縮相において、2つの磁気副格子が互いに同位相で歳差運動する磁気励起モードの電磁波吸収が示す方向二色性を228GHzでの強磁場ESR測定によって観測した。この測定によって一昨年度のゴールドストーモードに関するマイクロ波領域での観測に加えて、TlCuCl3がミリ波領域でも方向二色性を示すことが明らかになった。この二色性は、電磁波照射方向の反転の他、電気分極や磁化の反転によっても生じることを確かめた。また、温度変化測定を行って秩序温度以上で方向二色性が消失する振る舞いを観測し、この現象が空間反転対称性と時間反転対称性の両者破れた状態で初めて現れることも確かめた。また、ピストンシリンダー型高圧セルを用いた高圧下での誘電率・電気分極測定を行い、TlCuCl3の強誘電が示す顕著な圧力効果を明らかにした。この測定から、加圧によって強誘電が生じる温度領域は大幅に広がるとともに、静電場によって自発電気分極を反転させるPE履歴曲線に現れるヒステリシス幅が増大することが分かった。これらの振る舞いは、加圧によるダイマー間相互作用の増強によってTlCuCl3がダイマー系から古典的な三次元反強磁性体へと近づいていくことで、量子揺らぎが抑制されていくために生じていることが、微視的なスピンハミルトニアンに基づく理論と現象論的なランダウ理論の両者による詳細な解析から分かった。

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

一昨年度のマイクロ波を用いた実験に続き、ミリ波領域でもTlCuCl3が方向二色性を示すことを明らかにできた。また、新たに高圧実験を行ってTlCuCl3の強誘電に関する顕著な圧力効果を観測するなど順調に研究が進展している。

今後の研究の推進方策

ミリ波領域で観測した方向二色性強度の温度、磁場方向、電磁波の照射方向、偏光方向などに関する依存性を詳細に測定する。これまでの測定からTlCuCl3の電気分極とスピン自由度を結びつける係数テンソルが決定されているが、これを用いた理論計算と観測した方向二色性強度を比較することにより、方向二色性な精緻な理解を得る。また、より高周波に現れるスピン伸縮モードに関しても490GHzのESR測定を行い、方向二色性がサブミリ波領域でも現れることも明らかにする。さらに、マグノンボースアインシュタイン相で期待しているマグノンの非相反伝搬を実証するための強磁場熱伝導測定に着手する。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Magnetoelectric behavior from cluster multipoles in square cupolas: Study of Sr(TiO)Cu4(PO4)4 in comparison with Ba and Pb isostructurals2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kato, K. Kimura, A. Miyake, M. Tokunaga, A. Matsuo, K. Kindo, M. Akaki, M. Hagiwara, S. Kimura, T. Kimura and Y. Motome
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 99 ページ: 024415

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.024415

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electric dipole spin resonance in a quantum spin dimer system driven by magnetoelectric coupling2018

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura, M. Matsumoto, M. Akaki, M. Hagiwara, K. Kindo and H. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys, Rev. B

      巻: 97 ページ: 140406R

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.97.140406

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetic structural unit with convex geometry: A building block hosting an exchange-striction-driven magnetoelectric coupling2018

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Kato, K. Yamauchi, A. Miyake, M. Tokunaga, A. Mathuo, K. Kindo, M. Akaki, M. Hagiwara, S. Kimura, Y. Motome and T. Kimura
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Mater.

      巻: 2 ページ: 104415

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.2.104415

    • 査読あり
  • [学会発表] Electromagnon in the Quantum Spin Dimer System2019

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      The 7th International Workshop on Far-Infrared Technologies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 結合ダイマー系の磁気強誘電相におけるPE履歴に対する圧力効果2019

    • 著者名/発表者名
      櫻井響介、木村尚次郎、淡路智、松本正茂、田中秀数
    • 学会等名
      日本物理学会第 74回年次大会
  • [学会発表] Magnetoelectric effects in the Quantum Spin Dimer System2018

    • 著者名/発表者名
      S. Kimura
    • 学会等名
      RHMF2018
    • 招待講演
  • [学会発表] 結合ダイマー系のマグノンボース凝縮相における方向二色性2018

    • 著者名/発表者名
      木村尚次郎
    • 学会等名
      強磁場コラボラトリにおける物性研究の現状と展望

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公開日: 2019-12-27  

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