Theoretical study on quantum spin liquids and their interfaces

量子スピン液体では、局在電子スピンが絶対零度でも磁気秩序が生じず、非自明な長距離トポロジカル秩序と新しいゲージ構造が発現する。本研究課題では、この量子スピン液体の表面・界面でのトポロジー変化から期待される新しい現象の理論的研究や、その舞台となる候補物質の理論探索を推進してきた。これまでに、高温量子スピンアイス候補物質であるスピネル型イリジウム酸化物Ir2O4の関連バンド絶縁体物質に対する構造最適化計算を終えていた。前年度からはIr2O4とその関連物質を積層した超格子物質の構造最適化をOPENMXパッケージを使用した大規模第一原理計算による分子動力学シミュレーションによって推進してきた。今年度はその構造最適化計算を継続・進展させ、最終的に最適結晶構造をほぼ突き止めた。モット絶縁体であるIr2O4の格子定数とバンド絶縁体であるIr2O4関連物質の格子定数から単純に見積もられるよりも大きな格子定数をとることが分かった。量子スピンアイス系を含め、あらゆる物質の界面では、構造的な歪みが生じる。量子スピンアイス系Tb2Ti2O7では、この歪みは局在磁気モーメントの電気四重極モーメントと結合し、その低エネルギー自由度に影響をもたらす。これまでに構築した量子スピンアイス系における歪みと電気四重極モーメントの相互作用の効果を取り込んだ乱雑位相近似理論の枠組みに基づいて、前年度にはTb2Ti2O7における超音波測定結果を定量的に説明する理論を構築した。今年度はその定量性を改善しつつ、論文を執筆した。

量子スピン液体では、局在電子スピンが絶対零度でも磁気秩序が生じず、非自明な長距離トポロジカル秩序と新しいゲージ構造が発現する。本研究課題では、この量子スピン液体の表面・界面でのトポロジー変化から期待される新しい現象の理論的研究や、その舞台となる候補物質の理論探索を推進してきた。これまでに、高温量子スピンアイス候補物質であるスピネル型イリジウム酸化物Ir2O4の関連バンド絶縁体物質に対する構造最適化計算を終えていた。前年度からはIr2O4とその関連物質を積層した超格子物質の構造最適化をOPENMXパッケージを使用した大規模第一原理計算による分子動力学シミュレーションによって推進してきた。今年度はその構造最適化計算を継続・進展させ、最終的に最適結晶構造をほぼ突き止めた。モット絶縁体であるIr2O4の格子定数とバンド絶縁体であるIr2O4関連物質の格子定数から単純に見積もられるよりも大きな格子定数をとることが分かった。量子スピンアイス系を含め、あらゆる物質の界面では、構造的な歪みが生じる。量子スピンアイス系Tb2Ti2O7では、この歪みは局在磁気モーメントの電気四重極モーメントと結合し、その低エネルギー自由度に影響をもたらす。これまでに構築した量子スピンアイス系における歪みと電気四重極モーメントの相互作用の効果を取り込んだ乱雑位相近似理論の枠組みに基づいて、前年度にはTb2Ti2O7における超音波測定結果を定量的に説明する理論を構築した。今年度はその定量性を改善しつつ、論文を執筆した。