Quantum Theory of Chiral helimagnets

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カイラル磁性体は、平衡状態において磁気構造（磁気モーメント、スピン）が空間的にらせん構造を取る磁性体である。そのらせん構造の外部磁場に対する依存性は、ジャロシンスキーによって見出された特異な連続相転移を伴うものである。これまで古典スピン模型を用いて解析され、また実験結果と比較されてきたこの現象の量子性について本研究では厳密対角化法などの数値的手法と保存量に関する考察、解析的な近似計算によって明らかにした。２０２２年度の主な成果は、ジャロシンスキー守谷相互作用とゼーマンエネルギーのみから構成されるスピン鎖において、大きさSのスピン系において、高さf(=1,2・・・2S)のソリトンの最低エネルギー状態は結晶運動量ｋ=πfの関係があることをジャロシンスキー守谷相互作用とゼーマンエネルギーのみから構成されるスピン鎖(DH模型)をソリトン数の固有空間に射影した模型(projected DH模型)において厳密に示したことである。スピンSの系では2S通りの高さのソリトンが存在し得るが低エネルギーに現れるソリトンは最大の高さf=2Sのソリトンであり、その数が変化するのが磁化過程であることが明らかになった。その結果整数スピンでは磁化過程でソリトン数が変化しても結晶運動量はゼロであるのに対し、半奇整数スピンでは磁化定でソリトン数が変化するたびに結晶運動量がπだけ変化する。交換相互作用が入るとソリトン数がよい量子数でなくなるために、結晶運動量の変化を伴わない、整数スピンの磁化過程は連続変化（クロスオーバー）になるのに対して、半整数スピンの場合には結晶運動量の変化を伴う準位交差における不連続性を伴う。カイラル強磁性体の磁化過程における、半奇整数スピンと整数スピンの違いは、ソリトンの高さの偶奇性と結晶運動量の関係、最大高さのソリトンのみが低エネルギーに寄与することに起因することが明らかになった。