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2009 年度 実績報告書

パイロクロア磁性体における量子スピンアイス、近藤効果と異常ホール効果の理論

研究課題

研究課題/領域番号 21740275
研究機関独立行政法人理化学研究所

研究代表者

小野田 繁樹  独立行政法人理化学研究所, 古崎物性理論研究室, 専任研究員 (70455335)

キーワード強相関電子系 / 磁性 / スピン液体 / スピンカイラリティー / 異常ホール効果 / 近藤効果 / スピンアイス
研究概要

近年、パイロクロア格子系磁性体Pr_2M_2O_7(M : Ir, Zr, Snなどの遷移金属)に対する研究は著しい進展遂げている。特に遍歴磁性体(M=Ir)では、Prイオンのf電子磁気モーメントが強い一軸異方性をもつにもかかわらず、40K以下の低温で近藤効果を示し、さらに低温1.5K以下ではゼロ磁場かつゼロ磁化で異常ホール効果を示すなど、理論的に容易に理解されない非自明な現象が観測されている。今年度は、この物質群におけるPrイオンのf電子磁気モーメントに対する有効量子模型を微視的に導出した。さらに、これらの系が示す極めて新しい電子状態を理解・記述する基礎理論を構築した。特に、水の固体状態である氷の結晶は幾何学的フラストレーションを有することが古くから知られているが、これと同じ機構のためにスピンが凍結した状態(スピンアイス)が、量子効果によって融解するというシナリオを提唱した。また、この新しい磁気状態がスピンのキラリティーを有する際に、巨視的スケールで時間反転対称性を自発的に破る。この状態はゼロ磁場での異常ホール効果と軌道磁化を伴う。この場合に観測されるべき異常ホール伝導度と軌道磁化を理論的に計算し、実験結果を説明することに成功した。これらの研究成果を英国科学誌Natureで発表した。さらに、上記の有効量子理論に基づいて、Prイオンの磁気モーメントが四重極秩序を示すことを示唆する計算結果を得るとともに、この新しい状態を中性子磁気散乱スペクトル等によって実験的に検証する方法を考案した。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2010 2009 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (8件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect without magnetic dipole order2010

    • 著者名/発表者名
      Yo Machida
    • 雑誌名

      Nature 463

      ページ: 210-213

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel Geometrical Frustration Effects in the 2D Triangular-Lattice Antiferromagnet NiGa_2S_4 and Related Compounds2010

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakatsuji
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan 79

      ページ: 011003-1-16

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Skyrmions and Anomalous Hall Effect in a Dzyloshinskii-Moriya Spiral Magnet2009

    • 著者名/発表者名
      Su Do Yi
    • 雑誌名

      Physical Review B 80

      ページ: 054416-1-4

    • 査読あり
  • [学会発表] 磁性強誘電体の電気磁気結合と電磁応答の徴視的理論2010

    • 著者名/発表者名
      小野田繁樹
    • 学会等名
      日本物理学会第65回年次大会
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2010-03-23
  • [学会発表] Quantum melting of spin ice2010

    • 著者名/発表者名
      小野田繁樹
    • 学会等名
      Annual March Meeting of American Physical Society 2010
    • 発表場所
      Portland(OR)
    • 年月日
      2010-03-18
  • [学会発表] Quantum melting of spin ice2009

    • 著者名/発表者名
      小野田繁樹
    • 学会等名
      RIKEN Workshop on "Emergent Phenomena of Correlated Materials"
    • 発表場所
      和光
    • 年月日
      2009-12-03
  • [学会発表] Chiral order and novel electromagnetic excitations in quasi-one-dimensional spin-1/2 multiferroics2009

    • 著者名/発表者名
      佐藤正寛
    • 学会等名
      RIKEN Workshop on "Emergent Phenomena of Correlated Materials"
    • 発表場所
      和光
    • 年月日
      2009-12-03
  • [学会発表] Pr系パイロクロア型磁性体の有効理論2009

    • 著者名/発表者名
      田中洋一、小野田繁樹
    • 学会等名
      日本物理学会2009年秋季大会
    • 発表場所
      熊本
    • 年月日
      2009-09-21
  • [学会発表] 「擬1次元らせん磁性体におけるスピン波理論:LiCu_2O_2への応用2009

    • 著者名/発表者名
      佐藤正寛
    • 学会等名
      日本物理学会2009年秋季大会
    • 発表場所
      熊本
    • 年月日
      2009-09-20
  • [学会発表] Quantum melting of spin ice2009

    • 著者名/発表者名
      小野田繁樹
    • 学会等名
      International Conference on Magnetism(ICM 2009)
    • 発表場所
      Karlsruhe
    • 年月日
      2009-07-28
  • [学会発表] Chirality in quantum spin liquid and ice2009

    • 著者名/発表者名
      小野田繁樹
    • 学会等名
      Joint European Japanese Conference : Frustration in Condensed Matter
    • 発表場所
      Lyon
    • 年月日
      2009-05-08
  • [図書] Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technology(ISQM-Tokyo'08)Proceedings of the 9th International Symposium2009

    • 著者名/発表者名
      Shigeki Onoda
    • 総ページ数
      90-93
    • 出版者
      On scaling behaviors of anomalous Hall conductivity in disordered ferromagnets studied with the coherent potential approximation
  • [備考]

    • URL

      http://www.riken.jp/lab-www/cond-mat-theory/onoda/Pr2TM2O7_j.htm

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公開日: 2011-06-16   更新日: 2016-04-21  

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