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2019 年度 実施状況報告書

量子スピン液体の準粒子励起を反映した非平衡磁気ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 19K03742
研究機関横浜国立大学

研究代表者

那須 譲治  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40610639)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
キーワード非平衡ダイナミクス / 量子スピン液体
研究実績の概要

本研究では、量子スピン液体に内在する分数準粒子の存在を反映した非平衡磁気ダイナミクスを明らかにし、それによって創発準粒子単体での観測および制御するための理論基盤の構築を目指すことを目的に研究をしている。外場変調によってもたらされる非平衡状態において、準粒子描像がどの程度安定かを調べ、スピンの分数化によって生じた準粒子を分離して観測する方法の理論提案を行う。本年度では、具体的にこの量子模型を出発点として以下の研究成果を得た。
(1) 大きさの異なる量子スピンが混在したキタエフ模型に対して、有限クラスターにおける有限温度の解析を行い、スピンの準粒子への分数化に起因すると考えられるエントロピーのプラトーの存在に加えて、低温で、大きな残留エントロピーが生じることを見いだした。
(2) キタエフ量子スピン液体に磁場印可し、その磁場を急にゼロとする磁場クエンチの後の非平衡磁気ダイナミクスをマヨラナ平均場近似法を用いて解析した。その結果、スピンの分数化によって生じた2種類のマヨラナ準粒子が異なる時間スケールで減衰することが分かった。
(3) スピン1のキタエフ模型に対して、エッジを持つ有限クラスタで片方のエッジに時間依存する磁場を印可したときに、その時間変動がどのように伝播するかを厳密対角化法を用いて解析した。その結果、磁場が印可されていないバルクの領域にはスピン分極が生じないにもかかわらず、もう片方のエッジにスピン分極の時間変化が生じることがわかった。この結果は、バルク領域に遍歴性を持つ準粒子が存在することを示唆している。

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

本研究の目標である量子スピン液体の非平衡磁気ダイナミクスに関して、キタエフ模型の磁場変動に対する時間発展を詳しく調べている。具体的に有限の磁場を急にゼロにする磁場クエンチとエッジにおける時間変動する磁場の影響をマヨラナ描像に基づく平均場近似と厳密対角化法によって計算した。それらにおいて、分数準粒子の性質が色濃く表れることが明らかになった。
特に、非平衡ダイナミクス特有の緩和現象や輸送特性に影響を与えることが分かった。
以上の成果が得られていることから、現在までの進捗状況として、おおむね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

これまでの量子スピン液体に対する非平衡ダイナミクスの計算は、外場の時間依存性として、磁場クエンチなど簡単なもののみを考えてきた。また、エネルギー散逸は無視しており、時間変動する外場によって導入されたエネルギーは系にとどまったままとなっていた。
これを改良するため、様々な外場変調で計算を行い、分数準粒子の緩和特性が準粒子の種類でどう違うのかを系統的に調べていく。また、スピン・格子相互作用などを考えることによって、エネルギー散逸の影響をまずは平均場の範囲内で取り入れた計算を行うことを考えている。

次年度使用額が生じた理由

本年度において、平均場近似に基づいた解析で様々な新しい知見が得られたため、それを詳しく調べるのに予想以上に時間を要した。そのため、本年度購入する予定だった計算機の購入は次年度以降に行う予定である。また、参加予定だった学会や研究会が中止になったため、本研究予算で得られた研究成果は次年度以降に発表する予定であり、研究発表の際に旅費として使用することを予定している。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 1件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] University of Tennessee/Oak Ridge National Laboratory/Boston College(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Tennessee/Oak Ridge National Laboratory/Boston College
  • [国際共同研究] Imperial College London(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Imperial College London
  • [雑誌論文] Majorana-magnon crossover by a magnetic field in the Kitaev model: Continuous-time quantum Monte Carlo study2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshitake Junki、Nasu Joji、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 100408

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.100408

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The range of non-Kitaev terms and fractional particles in α-RuCl32020

    • 著者名/発表者名
      Wang Yiping、Osterhoudt Gavin B.、Tian Yao、Lampen-Kelley Paige、Banerjee Arnab、Goldstein Thomas、Yan Jun、Knolle Johannes、Ji Huiwen、Cava Robert J.、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Nagler Stephen E.、Mandrus David、Burch Kenneth S.
    • 雑誌名

      npj Quantum Materials

      巻: 5 ページ: 14

    • DOI

      10.1038/s41535-020-0216-6

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin Transport in the Quantum Spin Liquid State in the S = 1 Kitaev Model: Role of the Fractionalized Quasiparticles2020

    • 著者名/発表者名
      Koga Akihisa、Minakawa Tetsuya、Murakami Yuta、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 ページ: 033701~033701

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.033701

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two-step gap opening across the quantum critical point in the Kitaev honeycomb magnet α?RuCl32020

    • 著者名/発表者名
      Nagai Yuya、Jinno Takaaki、Yoshitake Junki、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Itoh Masayuki、Shimizu Yasuhiro
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 020414

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.020414

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hunting Majorana Fermions in Kitaev Magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Motome Yukitoshi、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 ページ: 012002~012002

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.012002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonequilibrium Majorana dynamics by quenching a magnetic field in Kitaev spin liquids2019

    • 著者名/発表者名
      Nasu Joji、Motome Yukitoshi
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 1 ページ: 033007

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.1.033007

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Residual entropy and spin fractionalizations in the mixed-spin Kitaev model2019

    • 著者名/発表者名
      Koga Akihisa、Nasu Joji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 100404

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.100404

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ferromagnetic instability for the single-band Hubbard model in the strong-coupling regime2019

    • 著者名/発表者名
      Kamogawa Yusuke、Nasu Joji、Koga Akihisa
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 ページ: 235107

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.235107

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low-temperature properties in the bilayer Kitaev model2019

    • 著者名/発表者名
      Tomishige Hiroyuki、Nasu Joji、Koga Akihisa
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 ページ: 174424

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.174424

    • 査読あり
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics of Kitaev spin liquids with fractional Majorana excitations2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu ans Y. Motome
    • 学会等名
      International Conference on Topological Material Science 2019 (TopoMat2019), Kyoto University
    • 国際学会
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics in Kitaev spin liquids with fractional Majorana quasiparticles2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      The 3rd Asia-Pacific workshop on Quantum Magnetism, Tsung-Dao Lee Institute
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic-field effect and transport properties in Kitaev spin liquids2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      3rd EPiQS-TMS alliance workshop on Topological Phenomena in Quantum Materials (TPQM2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nonequilibrium dynamics induced by magnetic-field quench in Kitaev spin liquids with fractional Majorana excitations2019

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu and Y. Motome
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
    • 国際学会

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公開日: 2021-01-27  

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