【研究分野】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】14540353 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子スピン系 / ナノスケール単分子磁性 / 非断熱遷移 / ESR / 量子ダイナミックス / スピンクロスオーバー / 量子拡散 / 量子スイッチング / 量子ダイナミクス / スピンパイエルス相転移

【研究成果の概要】

本研究では、量子効果が顕著な役割をする磁性現象において、いわゆる量子一重項を、基本にする非磁性状態ではなく、磁化が存在する場合の量子効果のあり方や、磁化の動的な外場のもとでの量子力学的運動の特徴について詳しく研究した。具体的テーマとして、格子と結合した系におけるスピンパイエルス転移をS=1や格子を量子化した場合などを研究し、スピン配位と格子配位の特異な結合状態を明かにした。また、量子ゆらぎによる基底状態相転移の様子を、XY的な異方性をもつ三角格子反強磁性体で詳しく調べ、スピン相互作用の異方性と外部磁場の関数としての相図を求め、対応する古典系での依存性との比較を行い、量子ゆらぎの効果の特徴を明かにした。
磁気秩序に関しては、ゆらぎによる秩序混合状態など3次元における新しい秩序形態や、量子ゆらぎによって誘起される新しいタイプの秩序相などを明かにした。また、相互作用が強いスピン系における電子スピン共鳴の数値解析法を開発し、直交ダイマー系などでの特徴ある共鳴吸収の様子も明かにした。
量子ダイナミックスに関して、微小磁性体における断熱変化に基づく現象を解析してきた。特にジャロチンスキー・モリヤ相互作用による断熱変化はそのベクトル型の相互作用を反映して、本質的に空間異方性を持ち、磁場掃引する際の磁場の方向によって断熱変化の様子が大きく異なることを明かにした。また、全く異方性を伴わない反発擬交差の起源についても研究を進め、核スピンとの超微細相互作用による機構を提案した。
さらにこれらの現象を利用して、熱散逸を伴わない量子スイッチングの機構も提案した。関連する研究としてスピンによる熱伝導現象や、量子系での散逸のダイナミックスに関する研究も行った。これらの研究によって量子系の特徴を活かした新しい物性活用が可能にする方法について研究を進めている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【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】12640368 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子スピン系 / 量子ダイナミックス / スピンパイエルス転移 / 非断熱遷移 / 電子スピン共鳴 / 量子計算 / 不純物誘起磁化 / 光誘起相転移 / スピンパイエルス相転移 / ESR

【研究成果の概要】

本研究では量子スピン系における量子効果がもたらす現象の新しい特徴を明らかにし、さらにそれらの機構の解明を行った。特に、量子効果が顕著な系として、一次元反強磁性ハイゼンベルグ模型を中心に現象研究を進めた。まず、空間的な不均一性がどのようにスピンの秩序構造に影響するかについて均一な相互作用をもつ一次元反強磁性ハイゼンベルグ模型における格子端効果、相互作用の大小が交替的に変化するボンド交替反強磁性ハイゼンベルグ模型における交替欠陥の効果について調べた。特に、後者では欠陥の種類によらず、欠陥の付近にスピン1/2の磁化が誘起されることがわかった。これらの磁化はナノスケール磁性分子と同様にそれぞれの間にほとんど相互作用のない独立な磁化とみなすことができ、それらがどのように外部磁場に応答するか、またその際のノイズ効果についても調べた。また、相互作用が強い系における電子スピン共鳴における量子効果についても研究を進め、反強磁性クラスターが示す共鳴線の磁場依存性が、従来のいわゆる反強磁性共鳴の他に、常磁性共鳴が共存しうることを示した。また、梯子格子やボンド交替鎖における共鳴の特徴も明らかにした。さらに、格子とスピン系の相互作用によって起こるスピンパイエルス転移における秩序形成の様子について量子モンテカルロ法による研究も行い、どのようにしてスピンパイエルス状態が有限温度で現れてくるかを明らかにした。また、これまでほとんど知られていなかったS=1のスピンパイエルス転移についても調べ、格子ひずみのないハルデーン状態とボンド交替差でのダイマー状態のどちらかが格子のばね定数によって選ばれることを発見した。さらにこの二つの状態の移り変わりは一次転移であることも見出した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】3,800千円 (直接経費: 3,800千円)

【研究分野】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】10044084 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子スピン系 / 量子モンテカルロ / ナノスケール磁性体 / 非断熱遷移 / 光誘起相転移 / ESR / 量子モンテカルロ法 / 準安定緩和 / 量子ダイナミックス

【研究成果の概要】

量子ダイナミックスが重要な役割をする現象に関して以下の研究を行った。Mn_<12>,Fe_8,V_<15>など微小分子磁性体でのヒステリシス現象における量子ダイナミックスを非断熱遷移の立場から研究し、特に、極低温での見かけ上の非断熱遷移、熱励起がある場合のパリティ効果、熱の流入のある場合の量子フェーン現象など、散逸環境中での非断熱遷移の特徴を詳しく研究した。また、分子間の双極子作用や核スピンからの超微細相互作用などの効果を明らかにした。(Miyashita,Saito,DeRaedt,Barbara)また、量子相関が非常に強い系での電子スピン共鳴の吸収線に関する直接計算法を開発し、双極子相互作用、異方性、ジャロチンスキー・守谷相互作用のついて、実験の幾何学的構造(格子の配位と静磁場、振動磁場の方向)と吸収線の関係(ダイナミカルシフト)を明らかにした。(Miyashita)さらに、不均一性のある系でのゆっくりとした緩和の特徴として、スピングラスやランダムボンド系でのダイナミックスの研究も進めた。(Young,Vincent,Kawashima,Miyashita)量子スピン系の特徴として格子系の空間的構造を反映した量子効果による新しい磁性状態として、S=1反強磁性ハイゼンベルグ模型(ハルデーン系)にS=1/2の不純物をドープした際に生じる局所磁気構造、S=1/2反強磁性ハイゼンベルグ模型(量子スピン流体)において局所的に相互作用の大きさを変えた場合に生じる磁気構造、さらにボンド交替S=1/2反強磁性ハイゼンベルグ模型(ダイマー系)においてボンド交替の欠陥のまわりに生じる磁気構造の性質について量子モンテカルロ法を用いて研究し、さらにそのダイナミックスも調べた。また、従来困難であった磁場中での量子モンテカルロ法に関するアルゴリズムの開発を行った。(Miyashita,Kawashima)さらに、これまで量子コンピューティングに関してNMRなどで用いられているスピンの動的制御に関して数値シミュレーションを行い、不安定性があることを見いだした。(DeRaedt,Miyashita)

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)