磁場角度分解エントロピー測定装置の開発とフラストレート磁性体への応用

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01161
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 橘高 俊一郎 東京大学, 物性研究所, 助教 (80579805)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: フラストレート磁性体 / スピンアイス / エントロピー / 比熱 / 磁気熱量効果 / 磁場回転

研究実績の概要

本研究の第一の目的は、磁場回転に伴う磁気熱量効果を精密に測定し、エントロピーの磁場角度依存性を従来よりも高速かつ高分解能に測定できる手法を確立することにある。準断熱環境下で磁場回転や磁場掃引に伴う磁気熱量効果を精密測定できる熱量計を開発し、ベンチマークとしてスピンアイス物質Dy2Ti2O7の磁場角度分解エントロピー測定を行った。その結果、スピンフリップ転移の角度依存性を高精度に検出することに成功し、モンテカルロ数値計算結果とも良く一致するエントロピーの測定結果を得た。装置開発および測定結果の詳細をまとめた論文はJ. Phys. Soc. Jpn.誌で公表した。さらに、スピンアイス状態においてKasteleyn転移の観測を目指して磁場回転実験を行ったところ、極低温・低磁場ではDy2Ti2O7が強い非平衡状態にあり、磁気熱量効果ではなく磁場変化に伴う放熱現象が生じることを見出した。
本研究の第二の目的は、開発した装置を様々なフラストレート磁性体の研究に応用して新たな知見を得ることにある。広島大学のグループとの共同研究から、擬カゴメ近藤格子CeIrSnにおいてフラストレーション効果に起因したメタ磁性異常を見出した。この流れの中で、同じ結晶構造を持ち、類似のメタ磁性を示すCeRhSnに着目した。先行研究により、CeRhSnではゼロ磁場での量子臨界性が報告されており、その起源がフラストレーションに由来する可能性が指摘されている。本系は磁場でエントロピーが大きく変化し、強いイジング異方性を示すため、磁場角度分解比熱・エントロピー測定が有効であると判断し、CeRhSnの比熱・エントロピー測定を行った。その結果、擬カゴメ格子面近傍のごく狭い磁場角度範囲で高磁場まで量子臨界性が保たれる予想外の現象を見出した。結果の詳細は日本物理学会で発表した。

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

第一の目的であるエントロピーの磁場角度依存性を従来よりも高速かつ高分解能に測定できる装置の開発に成功した。さらに、本装置をDy2Ti2O7とCeRhSnの研究に応用して、新奇現象を見出した。装置開発の論文はJ. Phys. Soc. Jpn.誌で発表し、今後の研究発展が期待できる新測定法として高い評価を受けている。本測定技術の開発後、様々な方との議論の中で、本装置の強みを発揮できる研究課題が数多く生まれており、本研究は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

今後は開発した装置を様々なフラストレート磁性体の研究に応用し、新たな知見を得る。まずは、昨年度末に行ったCeRhSnにおける量子臨界性の磁場角度依存性の測定結果を論文にまとめて発表する。第二に、昨年度に見出したDy2Ti2O7の磁場中非平衡状態について磁場回転下での磁化測定を行い、磁気モノポール励起現象の実態に迫る。第三にYb2Ti2O7の比熱・エントロピーの磁場角度依存性を測定し、低エネルギー励起構造を決定する。量子スピン液体を特徴づける実験事実の提供を目指す。また、フラストレート磁性体に限らず、本装置の強みを活かせる研究課題に幅広く取り組む。重要な研究成果が得られつつあるので、国際会議や研究会には積極的に参加して発表・議論を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute
• [国際共同研究] University of Oxford/Durham University/University of Warwick(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Oxford/Durham University/University of Warwick
• [国際共同研究] Los Alamos National Laboratory/Florida State University/Eastern Washington University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Los Alamos National Laboratory/Florida State University/Eastern Washington University
• [雑誌論文] S=1/2 ferromagnetic Heisenberg chain in a verdazyl-based complex (2019)
  • 著者名/発表者名: Uemoto N.、Kono Y.、Kittaka S.、Sakakibara T.、Yajima T.、Iwasaki Y.、Miyamoto S.、Hosokoshi Y.、Yamaguchi H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 094418(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.094418
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic magnetic-field response of quantum critical fluctuations in Ni-doped CeCoIn5 (2019)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Makoto、Suzuki Kohei、Tenya Kenichi、Nakamura Shota、Kono Yohei、Kittaka Shunichiro、Sakakibara Toshiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 054506(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.054506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional Field-Induced Spin Gap in an S=1/2 Chiral Staggered Chain (2019)
  • 著者名/発表者名: Liu J.、Kittaka S.、Johnson R. D.、Lancaster T.、Singleton J.、Sakakibara T.、Kohama Y.、van Tol J.、Ardavan A.、Williams B. H.、Blundell S. J.、Manson Z. E.、Manson J. L.、Goddard P. A.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 122 ページ: 057207(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.057207
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Field-induced quantum magnetism in the verdazyl-based charge-transfer salt [o-MePy-V-(p-Br)2]FeCl4 (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki Y.、Kida T.、Hagiwara M.、Kawakami T.、Kono Y.、Kittaka S.、Sakakibara T.、Hosokoshi Y.、Yamaguchi H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 224411(1-8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.224411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metamagnetic crossover in the quasikagome Ising Kondo-lattice compound CeIrSn (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsuda S.、Yang C. L.、Shimura Y.、Umeo K.、Fukuoka H.、Yamane Y.、Onimaru T.、Takabatake T.、Kikugawa N.、Terashima T.、Hirose H. T.、Uji S.、Kittaka S.、Sakakibara T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 155147(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.155147
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-Temperature Magnetization Measurements with Precise Two-Axis Alignment of the Sample Orientation (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Shota、Kasahara Akira、Kittaka Shunichiro、Kono Yohei、Onuki Yoshichika、Sakakibara Toshiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 114001(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.114001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-enhanced quantum fluctuation in an S=1/2 frustrated square lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi H.、Sasaki Y.、Okubo T.、Yoshida M.、Kida T.、Hagiwara M.、Kono Y.、Kittaka S.、Sakakibara T.、Takigawa M.、Iwasaki Y.、Hosokoshi Y.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 094402(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.094402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Disorder-sensitive nodelike small gap in FeSe (2018)
  • 著者名/発表者名: Sun Yue、Kittaka Shunichiro、Nakamura Shota、Sakakibara Toshiro、Zhang Peng、Shin Shik、Irie Koki、Nomoto Takuya、Machida Kazushige、Chen Jingting、Tamegai Tsuyoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 064505(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.064505
  • 査読あり
• [雑誌論文] Searching for Gap Zeros in Sr2RuO4 via Field-Angle-Dependent Specific-Heat Measurement (2018)
  • 著者名/発表者名: Kittaka Shunichiro、Nakamura Shota、Sakakibara Toshiro、Kikugawa Naoki、Terashima Taichi、Uji Shinya、Sokolov Dmitry A.、Mackenzie Andrew P.、Irie Koki、Tsutsumi Yasumasa、Suzuki Katsuhiro、Machida Kazushige
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 093703(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.093703
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Field-rotational Magnetocaloric Effect: A New Experimental Technique for Accurate Measurement of the Anisotropic Magnetic Entropy (2018)
  • 著者名/発表者名: Kittaka Shunichiro、Nakamura Shota、Kadowaki Hiroaki、Takatsu Hiroshi、Sakakibara Toshiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 073601(1-5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.073601
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 擬カゴメ近藤格子CeRhSnにおける量子臨界性の磁場角度依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橘高 俊一郎、河野 洋平、津田 研、高畠 敏郎、榊原 俊郎
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Field-orientation effect on the hidden-order transition in URu2Si2 (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kittaka
  • 学会等名: Symposium:TPFC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Sr2RuO4の超伝導ギャップ構造の検証：回転磁場下での比熱測定から (2019)
  • 著者名/発表者名: 橘高 俊一郎、中村 翔太、榊原 俊郎、菊川 直樹、寺嶋 太一、宇治 進也、Dmitry A. Sokolov、Andrew P. Mackenzie、入江 光輝、堤 康雅、鈴木 雄大、町田 一成
  • 学会等名: つくば-柏-本郷 超伝導かけはしプロジェクト ワークショップ（2）
  • 招待講演
• [学会発表] Multiband full-gap superconductivity in heavy-fermion superconductor CeCu2Si2 revealed by specific-heat measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kittaka
  • 学会等名: Plasma 2019 Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Thermodynamic study of Sr2RuO4: identification of the superconducting gap structure (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kittaka, S. Nakamura, T. Sakakibara, N. Kikugawa, T. Terashima, S. Uji, D. A. Sokolov, A. P. Mackenzie, K. Irie, Y. Tsutsumi, K. Suzuki, and K. Machida
  • 学会等名: International Workshop on j-Fermion Physics and Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 磁場角度分解比熱・エントロピー測定からみたPrTi2Al20の四極子秩序 (2018)
  • 著者名/発表者名: 橘高 俊一郎、谷口 貴紀、中村 翔太、榊原 俊郎、瀧川 仁、辻本 真規、酒井 明人、松本 洋介、中辻 知
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] Towards identification of the superconducting gap structure of Sr2RuO4: evidence for a horizontal line node gap from field-angle dependence of its specific heat (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kittaka, S. Nakamura, T. Sakakibara, N. Kikugawa, T. Terashima, S. Uji, D. A. Sokolov, A. P. Mackenzie, K. Irie, Y. Tsutsumi, K. Suzuki, and K. Machida
  • 学会等名: International Conference on Magnetism 2018 (ICM2018)
  • 国際学会
• [備考] 個人のホームページ
  • URL: https://sakaki.issp.u-tokyo.ac.jp/user/kittaka/index.html
• [備考] 研究室のホームページ
  • URL: https://sakaki.issp.u-tokyo.ac.jp/