【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】15K13533 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 計算物理 / 量子スピン系 / トポロジー / スピン液体 / 磁性 / 数値計算 / 強相関系

【研究成果の概要】

本研究では、磁性体に現れる奇妙な量子状態である量子スピン液体の性質を解明する目的で、新しい数値計算手法の開発を行った。キタエフ模型と呼ばれる理論モデルの厳密解で用いられるマヨラナフェルミオン描像に基づいて、新しい量子モンテカルロ法、動的平均場法、および連続時間量子モンテカルロ法を開発した。それらを用いて、様々な物理量の温度依存性やエネルギー依存性を明らかにし、キタエフ模型に対する候補物質における最新の実験結果との定量的な比較を行うことで、これらの物質において量子スピン液体が発現している強い証拠を与えることに成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】24340075 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子スピン系 / 強相関電子系 / 量子相転移 / 超伝導 / 磁化測定 / 極低温 / 磁性 / 強相関系 / 分子性固体

【研究成果の概要】

低次元量子スピン物質や強相関物質などの純良単結晶試料は、微小な結晶としてしか得られないことが多い。本研究課題では、研究代表者がこれまで開発してきた極低温磁化測定装置を、微小結晶試料の測定に対応できるように従来比で100倍高感度化した。この装置による主要な成果は、（１）スピン1/2の一次元ハイゼンベルグ反強磁性体CuPzN単結晶の低温磁化の磁場温度依存性が厳密解と高い精度で一致することを検証、（２）スピン三重項超伝導の期待の高いSr2RuO4の低温におけるc面内方向の超伝導-常伝導転移が磁化に不連続な飛びを伴う一次転移となることを確認し超伝導対称性を特定する上で重要な知見を得た、等である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】23244072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性 / 量子スピン系 / フラストレーション / 強磁場 / 量子多体効果 / 三角格子反強磁性体 / 籠目格子反強磁性体 / スピンダイマー磁性体 / 物性実験 / 量子磁性 / 強相関電子系 / 強磁場物性 / スピンダイマー系 / 低温物性

【研究成果の概要】

我々はフラストレーションの強いスピン系での顕著な量子効果を調べた。まず，我々はBa3CoSb2O9の磁化過程を測定し，全磁場領域で磁化曲線が理論と一致することより，この物質が理想に近いスピン1/2三角格子反強磁性体であることを示した。続いて，スピン1/2籠目格子反強磁性体Cs2Cu3SnF12の磁気励起を中性子非弾性散乱で測定し，励起エネルギーが通常とは逆に，スピン波理論で求めた値よりも大きく減少する負の量子再規格化現象を発見した。更に，新規ダイマー磁性体Ba2CoSi2O6Cl2を合成し，その強磁場磁化過程を測定することより，磁場中でマグノン結晶ができることを見出した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】47,840千円 (直接経費: 36,800千円、間接経費: 11,040千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】21340093 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

核磁気共鳴 / 高圧技術 / 強相関電子系 / 量子スピン系 / 量子相転移

【研究成果の概要】

高い容積効率を持ち、10GPaを超える圧力を発生できる、核磁気共鳴用の対抗アンビル型圧力セルを開発した。この圧力セルは①低温で液化封入したアルゴンを圧力媒体として用いることにより、均一な圧力が得られる、②アンビル内に光ファイバーを導入し、試料室におかれたルビーの蛍光波長を観測することにより、圧力を実験中に校正することができる、③セル全体を超伝導マグネット内で回転することにより、磁場中で試料の方位を任意に制御することが可能、といった利点を持つ。この圧力セルを利用して、鉄系超伝導体SrFe2As2における反強磁性と超伝導状態の共存など、新しい秩序状態を発見した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009-04-01 - 2013-03-31

【配分額】18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】18540341 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁気共鳴 / 磁性 / スピンギャップ / 電子スピン共鳴 / 強相関電子系 / 物性理論 / 統計力学 / 場の理論 / 数理物理 / 計算物理 / 量子スピン系 / 量子ダイナミクス / 磁場誘起臨界現象 / スピンギャップ系 / Haldaneギャップ / 量子臨界点 / 擬1次元スピン系 / 可積分系 / フォームファクター

【研究成果の概要】

これまで1次元スピンギャップ系のESRについて多くの実験が行われてきたが、理論な理解は進んでいなかった。そこで、1次元スピンギャップ系のESRに対する新たな理論的アプローチを定式化した。まず、磁場中の1次元スピンギャップ系において、朝永・ラッティンジャー流体領域と量子臨界領域の間のクロスオーバーが、温度の関数としての磁化の極小として普遍的に現われることを発見した。また、このような系のESRシフトについて、広い温度・磁場領域で定量的な理論を得た。その結果はS=1ハルデンギャップ系であるNDMAPについての実験データと非常に良い一致を見た。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】3,910千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 510千円)

【研究分野】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】13740237 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ダイナミクス / Drude重み / トポロジカル量子化 / 反強磁性秩序 / d波超伝導 / 量子細線 / 境界のある共形場理論 / ESR / 量子スピン系 / 強相関電子系 / スピン電荷分離 / ゲージ理論

【研究成果の概要】

系の伝導特性は、ダイナミクスを反映する重要な指標である。特に、絶対零度で系が導体であるか絶縁体であるかは物質の分類の基本となる。一般にどのような条件で系が導体あるいは絶縁体になるかを理解することは物性物理の基本問題の一つである。周期的な格子上の多粒子系については、粒子密度(単位胞あたりの粒子数)が系の伝導特性を決定する重要な要因になることは直観的にも理解できる。すなわち、粒子密度が整数であれば粒子が格子に固定されて絶縁体になる可能性があるが、粒子密度が非整数の場合は粒子がキャリアとして動くので導体になることが期待される。ただし、後者の場合も粒子密度が簡単な有理数であれば自発的に並進対称性を破るなどの機構によって絶縁体になる場合もある。しかし、強い相互作用の存在する系では、直観的な理解が必ずしも通用しないため、系の伝導特性と粒子密度についての一般的な関係を考察した。Lieb-Schultz-Mattisの議論と、Aharanov-Bohm磁束に対する系の応答を併せて考察することにより、次のような結論を得た。粒子密度をp/q(p, qは互いに素である整数)とすると、1次元系で絶縁体になる場合はサイズLの系のエネルギースペクトルには基底状態も含めてq個の低エネルギー状態が存在し、これらの間のエネルギー差はLの大きい極限で1/Lより速くゼロに収束する。2次元系でも同様に絶縁体であればq個の低エネルギー状態が存在し、それらの間のエネルギー差は系のサイズの大きい極限でゼロに収束する。これらの結果は一般的であるだけでなく、物性物理におけるいくつかの基本概念の関連を明らかにするものである。
以上の研究の他、t-Jモデルに交替磁場を印加すると反強磁性長距離秩序が誘起されるが、同時にd波超伝導も促進されることを数値的に見出した。また、3本以上の量子細線の接合部における電気伝導について共形場理論の境界条件の見地から研究を進めた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【研究分野】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】11740224 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / Luttingerの定理 / トポロジカル量子化 / 近藤格子 / ボースアインシュタイン凝縮 / スピンギャップ / マグノン / 共形場理論 / 量子多体系 / 量子スピン系 / 磁場誘起ギャップ / トポロジー / ラッティンジャーの定理

【研究成果の概要】

Luttingerの定理はFermi球の体積は相互作用によって補正をうけないというもので、Fermi液体論のもっとも基本的な定理の一つであるが、Luttingerの原証明は摂動展開に基づくもので、近年その有効範囲が再び議論されるようになった。例えば近藤格子では通常の摂動論の適用は困難であり、Fermi面の大きさが伝導電子の数で決まるのか、局在スピンも含めて決まるのかがそもそも明らかでない。数年前に、我々は一次元系に対してLieb-Schultz-Mattisの方法を応用し、Luttingerの定理のトポロジカルな証明を与えた。Lieb-Schultz-Mattisの議論は高次元へは直接適用できない。しかし、私は最近ゲージ不変性の議論と組み合わせることで、Lieb-Schultz-Mattisの議論を高次元に拡張した。そこで、これをLuttingerの定理の議論にも適用し、系がFermi液体であればFermi球の体積は相互作用によらず粒子数によって決まり、これは一種のトポロジカル量子化であることを示した。また、近藤格子については、局在スピンもFermi球に電子と同等の寄与をすることを示した。
最近、磁性体の強磁場中での実験が盛んに行われるようになってきた。相互作用と量子効果でスピンギャップが生じている系に磁場をかけた時の挙動を調べるために、東工大田中グループによってTlCuCl_3の強磁場中での磁化過程が研究された。その結果、有限温度でも磁場誘起長距離秩序に伴う相転移の存在が確認された。しかし、既存の理論とは定性的にも磁化のふるまいが異なることもわかった。そこで、私は二国らと協力して、この現象が磁性体中の磁気励起(マグノン)のボースアインシュタイン凝縮として記述できることを示し、実験結果を定性的に説明することができた。
この他、c=2共形場理論の非自明な境界条件を調べ、三角格子上の量子ブラウン運動への応用を議論した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)