【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)

【研究領域課題番号】19K21858 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

負熱膨張 / ハニカム格子 / 反強磁性体 / 磁気相転移 / 磁気格子結合 / 熱体積効果 / 磁気体積効果 / スピン-格子結合 / 強相関電子系 / モリブデン酸化物 / 軌道自由度 / 多軌道d-pモデル / 逆ペロフスカイト構造 / マンガン窒化物 / フラストレーション / 電子相関 / 磁性 / 格子自由度

【研究成果の概要】

２０２１年度の研究では、特異な結晶格子構造と非自明な磁気構造のカップリングに起因する「負熱膨張現象」を示す磁性化合物の理論的な探索・設計を目的に、ハニカム型結晶構造を持つ反強磁性体を対象に、磁性誘起負熱膨張現象の可能性や条件を理論的に調べた。この物質群の結晶構造は、MX6八面体（Mは遷移金属イオン、Xは配位子イオン）の2次元陵共有ネットワークにより構成されており、遷移金属イオンがハニカム格子を形成する。ハニカム格子を持つ反強磁性体は数多くの物質例が知られており、物質探索を行う上で、普遍的かつ典型的な物質群と言うことができる。これらの物質では、上記の特殊な結晶構造のために、遷移金属イオン上にある磁化間に働く相互作用が、異なる結合パスに由来する相反する寄与から構成される。つまり、遷移金属イオン間の直接180度ボンドに起因する反強磁性交換相互作用と、配位子イオンを介した遷移金属イオン間の間接90度ボンドに起因する強磁性交換相互作用である。これらの、二種類の交換相互作用のボンド長依存性を通した磁気-格子結合の効果と、磁気的相互作用、格子の弾性エネルギー項を考慮したハニカム格子上の古典スピン-格子結合モデルを構築し、これを古典モンテカルロ法を用いた解析した。比熱や磁気相関関数、線形体積膨張率などの物理量の温度依存性を調べることで、ある条件下では、温度降下により反強磁性への磁気相転移が起こると同時に、結晶体積が膨張する「反強磁性転移誘起負熱膨張現象」が起こることを発見した。さらに、その物理機構について、あるメカニズムを仮定して計算結果を定量的に再現することで解明することに成功した。上記の成果を、論文にまとめて発表した。また、学会等での成果発表を行った。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13831 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物質開発 / 超伝導 / 磁気フラストレーション / イオン液体合成 / 水熱合成 / イオン液体合成法 / 水熱合成法 / フラストレート磁性体 / 物質探索 / 強相関電子系 / 超伝導体 / フラストレーション / イオン液体

【研究成果の概要】

強相関電子系における物質探索にブレークスルーを目指して，イオン液体合成法や水熱合成法により新しい超伝導体やフラストレート磁性体の合成を行った．超伝導が報告されているがその詳細は全く分かっていないTe4[BixCl4]を合成してその物性を評価したが、超伝導性の確認には至らなかった。一方、水熱合成法を駆使して、新しいカゴメ格子反強磁性体CdCu3(OH)6(NO3)2・H2O (CdK)の単結晶育成に成功し、負のベクトルカイラリティーをもつ120°スピン磁気秩序や160Tまでの超強磁場において複数の磁化プラトーを発見した。これらは異なる単位胞をもつマグノン結晶がシリーズで存在する事を示唆する。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 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】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】22540372 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フラストレーション / 強相関電子系 / 電荷自由度 / 量子ゆらぎ / 伝導現象

【研究成果の概要】

幾何学的にフラストレートした格子上のさまざまな伝導電子模型・電荷秩序模型を取り上げ、 フラストレーションと電荷自由度・伝導現象・電子状態との関連などについて調べた。その結果、量子臨界点、BKT転移などを経て特異な電荷秩序相・部分無秩序状態が形成されることを見いだした。これらを通じて、スピンの自由度だけでは現れない特異な状態が電荷の自由度を介して現れるという、電荷フラストレートを伴う電子系における新しい知見を得た。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】19340092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 光誘起相転移 / 光電子分光 / 光メモリー / 光スイッチ / 遷移金属化合物 / フラストレーション / 軌道秩序 / 配位子場遷移 / 電荷移動遷移

【研究成果の概要】

遷移金属化合物の磁性体や誘電体の表面において、可視光や紫外線によって誘起される電子状態の変化を光電子分光法によって研究した。特に、電子相関効果によって電子が複雑なスピン・電荷・軌道状態を持つマンガン酸化物において、可視光によって電子のスピン・軌道が大きく変化することを観測した。また、チタン酸化物の表面において紫外線で励起された電子の振る舞いを解明し、電子のスピンの光制御の可能性を示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【研究分野】無機化学

【研究領域課題番号】17105002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体化学 / 遷移金属酸化物 / 高原子価 / 強相関系 / 高温超伝導体 / 高圧合成 / 光電子分光 / メスバウア効果 / 強相関電子系 / 環境材料 / 合成化学 / 磁性 / 誘電体物性 / 超電導材料・素子 / 物性実験 / 物性理論 / 青色発光 / 微細加工 / 高温超伝導 / 金属-絶縁体転移 / フラストレーション / 磁気抵抗効

【研究成果の概要】

入手しやすく、比較的安全な3d遷移金属の酸化物は学術的にも実用的にも価値が高い。本研究では、以下の観点に基づきさらなる新規開発を試みた。Fe^<4+>やCo^<4+>、Cu^<3+>のように周期律後半にあって価数の高いイオンは深いd準位をもち、周囲にいる酸素イオンを酸化して活性化する。新発見したBaFe^<4+>O_3は、無数の鉄酸化物の中で初めて常圧下で強磁性を示した。活性化された酸素イオンが鉄磁気モーメントを、通常とは異なって平行に整列させるためである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2005 - 2009

【配分額】106,210千円 (直接経費: 81,700千円、間接経費: 24,510千円)

【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】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16340101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

パイロクロア酸化物 / 超伝導体 / ラットリング / 遷移金属酸化物 / フラストレーション / 強相関電子系 / 物質探索

【研究成果の概要】

βパイロクロア型オスミウム酸化物超伝導体AOs_2O_6について、試料合成、構造評価および物性測定を行った。A元素としては現在までに3つのアルカリ金属元素Cs、Rb、Kを含む酸化物が合成されており、それぞれ超伝導転移温度T_cが3.3K、6.3K、9.6Kである。以前に報告したαパイロクロア酸化物Cd_2Re_2O_7のT_c=1.0Kと比べると最大一桁T_cが上昇したことになり、何らかの新しい超伝導機構が働いていることを予感させる。また、電気伝導性を担う5d電子を供給するオスミウムイオンはいわゆるパイロクロア格子をなし、これが3次元フラストレート格子であることから、何らかの新しい物理の可能性を期待させる。
本年度の研究において、これまで純良な試料が得られていなかったCsOs_2O_6およびRbOs_2O_6について良質な単結晶の作製に成功した。これを用いて、電気抵抗、磁化、比熱等を測定した結果、CsではBCS的な弱結合超伝導であり、Rbでは若干、強結合となっていることが分かった。さらにKでは強結合性が強くなっていることから、πの上昇と共に超伝導性が弱結合から強結合へと劇的に変化することを突き止めた。この変化はあきらかにAのラットリングのエネルギー低下と関係しており、ラットリング振動が超伝導の機構に重要な役割を果たしていることが分かる。
さらにCs単結晶において大きな磁気抵抗効果を観測した。これは大きな異方性を有し、フェルミ面の特異な形状を反映していると考えられる。また、物材機構の寺嶋らによってドハースファンアルフェン効果の測定が行われ、播磨によるバンド計算の結果とよい一致をみた。得られたバンドマスの増強は3-4であり、比熱測定の結果とよく一致する。また、平均自由行程も500-1000nmと非常に大きいことが分かった。この物質は極めてクリーンな系であり、伝導電子とラットリングの相関を研究する上での重要な舞台を与える。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】15,500千円 (直接経費: 15,500千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】13640350 (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 / 量子反強磁性 / 軌道秩序 / スピネル / パイロクロア格子 / カゴメ格子 / パイクロア格子 / 多バンドハバード模型 / 幾何学フラストレーション / 軌道自由度 / 磁性体 / 動的平均場 / 重い電子系

【研究成果の概要】

本研究計画においてはフラストレートした構造を持つ磁性体、特にパイロクロア格子とカゴメ格子を中心として、フラストレーションがどのように強相関効果に影響を及ぼすのかという問題を理論的に研究し、新奇な量子相の発見とその性質の解明を目指した。
パイロクロア格子上の量子ハイゼンベルグスピン系を量子極限(S=1/2)と半古典極限(S→∞)の両極限でその基底状態を調べ、新奇な量子液体状態の可能性を探った。特にS=1/2の場合には基底状態は、2種類のダイマーまたは4量体が共存する状態であることを示した。
次にLiV_2O_4における重い電子系的振舞いを明らかにするため、パイロクロア格子上の軌道縮退を取入れたハバード模型を考察した。その結果、スピンと軌道の結合した自由度が実空間で非常に局在して揺らぎが増強していることを意味しており、実験における近藤効果的な振舞いの説明になり得ることを示した。
フラストレーションがある場合の電子相関効果を乱雑位相近似を超えて調べるため、カゴメ格子上の単一バンドハバード模型をhalf fillingの場合にFLEX近似によって研究した。フラストレーションが強い極限では磁気的不安定性が大幅に抑制され、また、それに伴って電子の運動がコヒーレンスを回復し、金属相が安定化されることがわかった。
フラストレートした系の大きな特徴の一つである局在した磁気励起の影響を調べるため、飽和磁場付近の熱力学を研究した。低温の有効モデルの厳密な熱力学関数の計算に成功し、相図と転移の臨界指数を決定した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)