カゴメ格子反強磁性体における新奇な異常量子現象の理論的・数値的研究

2011 年度 実績報告書

• 研究領域: フラストレーションが創る新しい物性
• 研究課題/領域番号: 22014012
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 坂井 徹 兵庫県立大学, 大学院・物質理学研究科, 教授 (60235116)
• 研究分担者: 中野 博生 兵庫県立大学, 大学院・物質理学研究科, 助教 (00343418) ; 礒田 誠 香川大学, 教育学部, 教授 (10184590)
• キーワード: フラストレーション / カゴメ格子 / 量子スピン系 / 反強磁性 / 磁化プラトー

研究概要

カゴメ格子反強磁性体の磁化過程において、とくに飽和磁化の3分の1のところで現れる磁化曲線の異常として、これまでの研究により磁化ランプ現象を提唱した。本年度は、この磁化ランプ現象をより明確に定式化する目的で、従来から磁化プラトー現象が現れることで知られている三角格子反強磁性体との定量的な比較を試みた。まず飽和磁化の3分の1の点における磁化プラトー幅が存在するかどうかを、有限系の数値対角化と有限サイズスケーリングにより推定したところ、三角格子では予想通り明確なプラトーが存在するが、カゴメ格子では外挿による誤差の範囲でプラトー幅がゼロになり、プラトーを伴わない唯一の臨界磁場において量子相転移が起きる可能性が示唆された。さらに、この臨界磁場の両サイドにおける磁化曲線の臨界指数を、有限サイズスケーリングにより見積もったところ、三角格子においては二次元系の従来の磁化プラトーで理論的に求められている値と一致したが、カゴメ格子においては、これとは全く異なる値を示すとともに、低磁場側と高磁場側では違う値となり、これまでにない新しい量子相転移であることが判明した。このカゴメ格子と三角格子の違いをさらに明確にするために、空間的な非一様性を持つ三角格子で、相互作用パラメータを変化させることにより、一様な三角格子とカゴメ格子を連続的につなぐ理論模型を導入し、両者の間における量子相転移の有無を検討した。この非一様な三角格子に対して、有限サイズスケーリングを適用するため、相似形のクラスターのグループを作り、各グループで独立に求める外挿値が一致するという拘束条件のもとでサイズスケーリングを実行した。その結果、カゴメ格子に非常に近いパラメータ領域で、磁化3分の1における量子相転移が起きることが判明し、磁化ランプと磁化プラトーが全く違う現象であることが裏付けられた。

研究成果

• [雑誌論文] Spin-Chirality Separation and S3-Symmetry Breakings in the Magnetization Plateau of the Quantum Spin Tube (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Okunishi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 85 ページ: 054416-1-054416-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.85.054416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Frustration Induced Ferrimagnetism in S=1/2 Heisenberg Spin Chain (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Shimokawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 043703-1-043703-4
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.043703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical-Diagonalization Study of Spin Gap Issue of the Kagome Lattice Heisenberg Antiferromagnet (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Nakano
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 053704-1-053704-4
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.053704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermodynamic Properties of Spin-1/2 Ising-like Heisenberg Model on Triangle-based Lattices (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Isoda
  • 雑誌名: Modern Physics Letters B 巻: 25 ページ: 909-915
  • DOI: 10.1142/S0217984911026619
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferrimagnetism of the Heisenberg model on the Kagome strip lattice (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Shimokawa
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 320 ページ: 012007-1-012007-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum critical phenomena in magnetization process of the Kagome and triangular lattice antiferromagnets (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 320 ページ: 012016-1-012016-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical exact diagonalization study of triangulated kagome Heisenberg spin system (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Isoda
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 320 ページ: 012010-1-012010-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetization ramp of the kagome lattice antiferromagnet (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Nakano
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 320 ページ: 012017-1-012017-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground-state phase diagram of S=2 quantum spin chain with the XXZ and on-site anisotropies (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 302 ページ: 012014-1-012014-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/302/1/012014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Specific Heat and Magnetic Susceptibility of Ising-like Anisotropic Heisenberg Model on Kagome Lattice (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Isoda
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 084704-1-084704-6
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.084704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hyperbolic Deformation Applied to S=1 Spin Chains---ScalingRelation in Excitation Energy--- (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Ueda
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 094001-1-094001-5
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.094001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Magnetization Plateau in Spin-1 Triangular-Lattice Antiferromagnet Ba3NiSb2O9 (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Shirata
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 093702-1-093702-4
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.093702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic-Field Induced Quantum Phase Transitions in Triangular-Lattice Antiferromagnets (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Ono
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 302 ページ: 012003-1-012003-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/302/1/012003
  • 査読あり
• [雑誌論文] How to distinguish the Haldane/Large-D state and the intermediate-D state in an S=2 quantum spin chain with the XXZ and on-site anisotropies (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 320 ページ: 012018-1-012018-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Frustration Induced Ferrimagnetism in Heisenberg Spin Chains (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Shimokawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 125003-1-125003-2
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.125003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Study on the Spin Gap of the Kagome Lattice Antiferromagnet (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan, Supplement B 巻: 80 ページ: SB014-1-SB014-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetization Plateau of the Quantum Spin Nanotube (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Okamoto
  • 雑誌名: Physica E 巻: 43 ページ: 769-772
  • DOI: 10.1016/j.physe.2010.07.047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Haldane, Large-D and Intermediate-D States in an S=2 Quantum Spin Chain with On-Site and XXZ Anisotropies (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Tonegawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 80 ページ: 043001-1-043001-4
  • DOI: 10.1143/JPSJ.80.043001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exotic Quantum Critical Phenomena of the Spin Nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 302 ページ: 012013-1-012013-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/302/1/012013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exotic quantum phase transitions in the spin nanotube (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 320 ページ: 012022-1-012022-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/320/1/012022
  • 査読あり
• [雑誌論文] 籠目格子反強磁性体の磁化過程--「磁化ランプ」という異常臨界現象-- (2011)
  • 著者名/発表者名: 中野博生
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 66 ページ: 832-836
  • 査読あり
• [学会発表] 数値対角化法による2次元フラストレート系の研究-カゴメ格子反強磁性体と三角格子反強磁性体- (2012)
  • 著者名/発表者名: 中野博生
  • 学会等名: 東大物性研短期研究会、物性研究所共同利用スパコン成果報告会「計算科学の課題と展望」
  • 発表場所: 東京大学物性研究所(千葉県)(招待講演)
  • 年月日: 2012-02-21
• [学会発表] カゴメ格子反強磁性体の新しい量子現象'磁化ランプ'とスピンギャップ問題 (2011)
  • 著者名/発表者名: 中野博生
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学五福キャンパス(富山県)(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-23
• [学会発表] Quantum Critical Magnetization Behaviors of the Kagome and Triangular Lattice Antiferromagnets (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai
  • 学会等名: Workshop on Development of Functionalized Mole cular-Based Magnetic Materials
  • 発表場所: IMR, Tohoku University, Sendai(宮城県)(Invited)
  • 年月日: 2011-09-12
• [学会発表] 量子スピン系の大規模並列数値対角化計算---カゴメ格子反強磁性体の物性解明--- (2011)
  • 著者名/発表者名: 中野博生
  • 学会等名: 異分野交流研究会「量子系の固有値問題と大規模計算」
  • 発表場所: 筑波大学計算科学研究センター(茨城県)(招待講演)
  • 年月日: 2011-07-26