量子スピンカゴメ格子反強磁性体におけるスピン液体の実現とトポロジカル秩序の探索

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K03529
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 吉田 紘行 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30566758)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: カゴメ反強磁性体 / スピン液体 / フラストレーション

研究実績の概要

本課題では、量子カゴメ反強磁性体のモデル物質であるCaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O（Ca-kapellasite）の基底状態の解明、磁化プラトーの探索と強磁場相の解明、関連する量子カゴメ反強磁性体の探索と物性評価を目的として研究を行った。
最終年度は重水置換した単結晶試料を作製し、2D-NMR、磁場下中性子回折、超強磁場磁化測定を行った。その結果、7.2 Kにおけるq = 0 (negative chirality)の長距離秩序の確立、7.2 K直上のスピン液体的な短距離秩序の観測、5 Tにおける磁気状態の変化、125 T(飽和磁化の6割程度)までの磁化過程に磁化プラトーなどの特異な磁場相がないことを確認した。このうち、2D-NMRで得られた成果をまとめた論文はJPSJに掲載され、その他については現在論文としてまとめている。また、Ca-kapellasiteに関連するカゴメ反強磁性体CdCu3(OH)6Cl2の磁性の解明を進め、本物質ではCu2+の軌道配列により磁気相互作用のネットワークが低対称化し、有効的には1次元鎖と鎖間のフリースピンで系の磁性が説明できることを明らかにした。その成果をまとめた論文はJPSJに掲載された。
研究期間全体を通して、本物質におけるNMR、中性子、磁化、熱ホール測定などの微視的、巨視的測定が大きく進展した。その結果、本物質がq = 0の長距離秩序を示すこと、磁気秩序相において異方的なスピン揺らぎが存在すること、また磁気転移直上にスピン液体との関連が期待される短距離秩序相が存在することが明らかになった。また、磁場中では125 Tまで磁化プラトーは存在しないものの、5 Tでq = 0秩序のカゴメ面内での回転に対応する振る舞いが観測された。これらはカゴメ反強磁性体で期待されるスピン液体の性質に関連する結果であり、実験的な検証として意義深い。

研究成果

• [雑誌論文] Magnetic Properties of S = 1/2 Distorted Kagome Antiferromagnet CdCu3(OH)6Cl2 with Low-Symmetry Orbital Arrangement (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Hiroyuki K.、Noguchi Naoya、Ishii Yuto、Oda Migaku、Chen Jie、Yamaura Kazunari、Yamashita Satoshi、Nakazawa Yasuhiro、Kida Takanori、Narumi Yasuo、Hagiwara Masayuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 044714-1～6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.044714
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-induced successive phase transitions in the J1?J2 buckled honeycomb antiferromagnet Cs3Fe2Cl9 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishii Y.、Narumi Y.、Matsushita Y.、Oda M.、Kida T.、Hagiwara M.、Yoshida H. K.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 104433-1～11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.104433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of Frustrated Short-Range Order above Long-Range Order in the S = 1/2 Kagome Antiferromagnet CaCu3(OD)6Cl2?0.6D2O (2021)
  • 著者名/発表者名: Ihara Yoshihiko、Matsui Kazuki、Kohama Yoshimitsu、Luther Sven、Opherden Daryna、Wosnitza Jochen、Kuhne Hannes、Yoshida Hiroyuki K.
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 023703-1～5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.023703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coexistence of checkerboard and quasiparticle interference modulations in Bi2Sr2CaCu2O8+x studied by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuta Shusei、Oda Migaku、Momono Naoki、Yoshida Hiroyuki K.、Ido Masayuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 184513-1～8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.184513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic excitations affected by spin-lattice coupling in the S=32 triangular lattice antiferromagnet Ag2CrO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Masaaki、Dissanayake Sachith E.、Yoshida Hiroyuki K.、Isobe Masaaki、Stone Matthew B.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 214411-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.214411
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Partially disordered state with short-range spin correlation in S=5/2 classical triangular antiferromagnet Ag2FeO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida H. K.、Matsuda M.、Stone M. B.、dela Cruz C. R.、Furubayashi T.、Onoda M.、Takayama-Muromachi E.、Isobe M.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 ページ: 043211-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.043211
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Static and dynamic spin properties in the quantum triangular lattice antiferromagnet Ag2CoO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida H. K.、Dissanayake S. E.、Christianson A. D.、dela Cruz C. R.、Cheng Y.-Q.、Okamoto S.、Yamaura K.、Isobe M.、Matsuda M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 024445-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.024445
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-pressure synthesis, crystal structure, and magnetic properties of the Shastry-Sutherland-lattice oxides BaLn2ZnO5 (Ln = Pr, Sm, Eu) (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Yuto、Chen Jie、Yoshida Hiroyuki K.、Oda Migaku、Christianson Andrew D.、Yamaura Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 289 ページ: 121489-1～7
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2020.121489
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] q=0 long-range magnetic order in centennialite CaCu3(OD)6Cl2・0.6D2O: A spin-12 perfect kagome antiferromagnet with J1?J2?Jd (2020)
  • 著者名/発表者名: Iida K.、Yoshida H. K.、Nakao A.、Jeschke H. O.、Iqbal Y.、Nakajima K.、Ohira-Kawamura S.、Munakata K.、Inamura Y.、Murai N.、Ishikado M.、Kumai R.、Okada T.、Oda M.、Kakurai K.、Matsuda M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 220408(R)-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.220408
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic magnetic excitations from single-chirality antiferromagnetic state in Ca-kapellasite (2020)
  • 著者名/発表者名: Ihara Y.、Yoshida H.、Arashima K.、Hirata M.、Sasaki T.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 ページ: 023269-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.023269
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] スピン1/2カゴメ反強磁性体CaCu3(OD)6Cl2・0.6D2Oにおけるq = 0 長距離磁気秩序 (2021)
  • 著者名/発表者名: 飯田一樹, 吉田紘行, 中尾朗子, Harald O. Jeschke, Yasir Iqbal, 中島健次, 河村聖子, 宗像孝司, 稲村泰弘, 村井直樹, 石角元志, 熊井玲児, 岡田武久, 小田研, 加倉井和久, 松田雅昌
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 2D-NMR測定によるCaCu3(OH)6・0.6H2Oの短距離相関状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井原慶彦, 松井一樹, 小濱芳允, 吉田紘行
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ブリージングカゴメ反強磁性体Li2Cr3SbO8の超強磁場磁歪 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石井裕人, 池田暁彦, 厳正輝, 小濱芳允, 吉田紘行, 松田康弘
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] f電子系ブリージングカゴメ反強磁性体Gd3Os4Al12の合成と物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 林浩章, 吉田紘行, 小田研, 山浦一成, 松下能孝
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 新規f電子系カゴメ反強磁性体の合成と物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林浩章, 山浦一成, 小田研, 吉田紘行
  • 学会等名: 第61回高圧討論会
• [学会発表] 水熱法によるフラストレート磁性体の新物質探索と単結晶育成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田紘行
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] カイラル磁性薄膜におけるドメインウォールスキルミオンの観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長瀬知輝, 肖英紀, 安井隼太, 石田高史, 吉田紘行, 田仲由喜夫, 齋藤晃, 五十嵐信行, 川口由紀, 桑原真人, 長尾全寛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] S = 1/2三角キューポラ反強磁性体SrCu(OH)3Clの磁性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井健太郎, 吉田紘行, 石井裕人, 小田研, Harald O. Jeschke, 下川統久朗, 木村健太, 木村剛, 鳴海康雄, 萩原政幸
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会