【研究領域課題番号】21K18144 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン液体 / スピノンフェルミ面 / 強磁場 / 核磁気共鳴 / 輸送特性 / 強相関電子系 / フラストレーション / 量子スピン液体 / スピノン / 分子性物質

【研究成果の概要】

本研究課題は、「スピン液体」の微視的状態の理解を目指している。対象とする物質は有機スピン液体候補物質であるk-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3とEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2である。
研究初年度では、スピン液体を説明する一つのモデルであるスピンノンフェルミ面の検出を目指して核磁気共鳴および高磁場物性の測定を行った。
スピノンのフェルミ面が存在する場合、物理量に磁場に対する量子振動が期待される。この検出を目的として、東京大学物性研、国際超強磁場科学研究施設のパルス磁場を利用してトルク、磁気熱量効果、誘電率、超音波速度、電気抵抗測定を行った。両塩ともに50 Telaまで明瞭な量子振動は観測されなかった。一方で、k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3はEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2よりも大きな磁場依存性を示し、6 Kという特徴的な温度で磁気熱量効果と超音波速度の磁場依存性に顕著な変化が見られた。これに対してEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2では特徴的な温度の存在は確認できないなど両塩に違いがみられた。
また、k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3について1H NMR測定を常圧で行った結果、スピン-格子緩和率は6K付近までは13C NMRのそれと同じ温度依存性を示すのに対し、それ以下では違いが生じ、3K付近でピークを観測した。この起源を探るべく、磁場強度および印加角度依存性の測定を行い、試料依存性も調べた。その結果、緩和率のピーク構造は、異なる試料でも観測され、磁場方向依存性が無く、磁場強度とともに抑制されることが分かった。
また、ドープされたスピン液体の候補物質として注目されているk-(BEDT-TTF)4Hg2.89Br8の13C NMR研究も開始した。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2021-07-09 - 2024-03-31

【配分額】25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円)

【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】15K13523 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超高圧技術 / 核磁気共鳴 / スピン液体 / 重い電子系 / Ir化合物 / Yb化合物 / 高圧技術 / キタエフ系 / 強相関電子系 / 超高圧 / 新物質開発 / 量子臨界現象

【研究成果の概要】

研究代表者らが発見した新構造物質とその他の新物質系の超高圧物性探索を目的とした。新物質YbCo2Ge4では、超高圧磁気相図の作成により1GPa付近での低い圧力での量子臨界点の存在を明らかにした。次に、本課題開始時に世界的に盛んに研究され始めたキタエフ量子スピン液体に注力した。まず、常圧・無磁場下でキタエフ系初のスピン液体実証として2次元蜂の巣格子H3LiIr2O6の50mKまで常磁性が保たれたスピン液体性と特徴的な線形分散フェルミ励起を報告した。その後、類似の三次元ネットワークの ハイパーハニカム型新物質β-Li2IrO3において超高圧下で磁性相とスピン一重項二量体形成の競合を明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25220709 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子性導体 / 強相関電子系 / 誘電物性 / 電荷ガラス / Dirac電子系 / スピン液体 / 超伝導 / 分子性物質 / 可制御性 / 誘電性 / ディラック電子 / モット転移 / ディラック電子系 / 有機導体

【研究成果の概要】

我々は、分子性物質の構造的な可制御性を利用することで、誘電性、伝導性、磁性、半導体といった既成の学問分野の境界領域に潜む未知の物性を発掘し、物質科学における新たな研究の潮流を創出することを目指した。その結果、電子移動型強誘電体における新奇な電気的/磁気的励起の発見、電子系におけるガラス形成の学理構築、質量ゼロのDirac電子系における特異な電子相関効果の発見、スピン液体と金属状態の共存状態の発見等、分野を跨ぐ成果を得た。これらの成果は、物性科学における新たな境界領域のシーズとなることが期待される。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】219,050千円 (直接経費: 168,500千円、間接経費: 50,550千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】20244055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

有機導体 / 強相関電子系 / 核磁気共鳴法 / 電子輸送特性 / モット転移 / スピン液体 / 超伝導 / 中性-イオン性転移 / 輸送現象特性 / 輸送現象測定

【研究成果の概要】

電荷揺らぎとスピン揺らぎが織り成す新しい電子相を探索する目的で、モット転移近傍に位置する三角格子有機伝導物質を調べた結果、電荷とスピンの双方においてモット転移が非従来型の臨界性を示すこと、さらに、スピンフラストレーションの強さがモット絶縁相においてスピン状態を決め(反強磁性/スピン液体)、金属相において擬ギャップの有無や超伝導転移温度、およびモット転移の強弱に決定的な影響を及ぼすことを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】48,880千円 (直接経費: 37,600千円、間接経費: 11,280千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16540313 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / フラストレーション / スピン液体 / カゴメ格子 / パイロクロア格子 / 金属絶縁体転移 / スピン軌道モデル / マグノン結晶 / 量子スピン / 三角格子 / 軌道秩序 / 磁気秩序

【研究成果の概要】

バナジウムスピネル酸化物AV_2O_4(A=Zn,Mg,Cd)における構造転移と磁気転移の機構を研究した。磁性をもっバナジウムイオンはパイロクロア副格子を形成しており、その格子上のスピン系は絶対零度まで長距離磁気秩序を示さないと考えられている。我々は、バナジウムイオンのd電子のスピンに加えて軌道自由度を考慮して低エネルギー有効模型を構築し、その平均場解析およびモンテカルロシミュレーションにより相図を決定した。その結果、構造転移が軌道秩序に対応し、それが引き起こす磁気相互作用の異方性により低温で磁気秩序の発現が可能になることを明らかにした。
カゴメ格子上の遍歴電子系の電子状態と磁性を調べた。単一バンドハバード模型で電子密度がhalf fillingの場合を考察し、動的平均場近似によって電子グリーン関数および動的磁気相関関数を計算した。その結果、電子が局在して絶縁体になるモット転移はフラストレーションの無い場合に比べて遙かに大きな電子間斥力が必要で、金属相が安定であることを示した。さらに、転移点近傍の絶縁体領域においては1次元的なスピン揺らぎが発達することを発見し、電荷揺らぎに伴う多スピン過程がこの特異なスピン相関を強めている可能性を指摘した。
飽和磁場近傍のフラストレートした量子スピン系に関しても研究を行った。これらの格子に特徴的な有限領域に局在したマグノンを双対格子上の格子ガスとして取り扱う模型を提唱し、厳密解の構成およびモンテカルロシミュレーションを行い、低温かつ飽和磁場近傍のほぼ厳密な相図および臨界指数の決定を行った。磁場の低下に伴うマグノン結晶状態への相転移の存在を示し、異なる格子における普遍クラスの違いを示すと共に、いくつかの格子における結晶状態の1次元的なスライディングの特徴を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】09640417 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン液体 / スピンギャップ / 反強磁性相関 / 近藤格子 / 量子相転移 / 梯子格子 / コヒーレンス / 密度行列繰り込み群 / 強相関電子系 / 動的臨界指数 / 金属・絶縁体転移

【研究成果の概要】

スピン液体状態と反強磁性秩序相の間の磁気的量子相転移点の近傍で、磁気的な異常と同時に電荷のダイナミックスがどのような影響を受けるかという問題を調べた。このために、この磁気的量子相転移に関係した3つの微視的モデルについて数値計算を行った。2本脚梯子系、1次元近藤格子系、電子対ホッピングを含む2次元のt-J模型である。
まず、スピンギャップをもつ金属状態に対しては、梯子系の有限温度における光学伝導度を厳密対角化法で計算した。スピンギャップよりも高い温度における2次元系と似たインコヒーレントな振る舞いが、スピンギャップ以下の温度になるとダイナミックスがコヒーレントになっていることを示した。
さらに2次元t-J模型のホールのダイナミックスをドルーデ・ウェイトの計算によって調べた。反強磁性的相関が強い時には金属・絶縁体転移の動的臨界指数がz=4とインコヒーレントな振る舞いを示すが、電子対ホッピングを加えていくと、動的臨界指数がz=2と変化してコヒーレンスが回復することを見出した。
1次元近藤格子ではスピン液体状態のhalf fillingからホールをドープすることによっておこる、常磁性状態の転移を調べた。ホール濃度および温度を変化させた時の熱力学量と局所動的相関関数を有限温度密度行列繰り込み群の方法を用いて調べた。その結果、ホールをドーブした時にもスピンギャップがクロスオーバーのエネルギースケールとして生き残ると同時に、低エネルギーにラッティンジャー液体の新しいエネルギースケールが現れることが見い出された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】3,000千円 (直接経費: 3,000千円)