量子スピンアイス状態の実験的研究

量子自旋冰态实验研究

• 批准号: 12J09118
• 负责人: 木村 健太
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2014-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J09118/
• 关键词: フラストレーション; スピンアイス; 磁気モノポール; パイロクロア; 磁気誘電性

本研究は、新しい量子状態として期待される量子スピンアイスの実験的解明を目指している。その候補物質として、Prをベースとするパイロクロア磁性体Pr_2Zr_2O_7に着目し、単結晶の純良化と詳細な物性測定を行った。本研究実施前において、FZ法により作製した単結晶の物性に強い試料依存性があることが分かっていたが、その主要因の特定には至っていなかった。そこで、出発原料の組成比および育成条件の精密制御を行い、得られた単結晶の化学組成分析、構造解析、マクロ基礎物性の系統的測定を行った。その結果、Pr濃度と各物理量(ワイス温度や低温比熱)に明瞭な相関があることを見出した。一方、いくつかの試料で見られた数%オーダーの過剰酸素は、系の物性に顕著な影響を与えない。これらの結果は、Pr濃度が物性を支配する主要因子であることを意味しており、単結晶純良化に向けた重要な指針を得ることができた。この指針に従って純良単結晶を育成し、最低温度20mKまでの直流磁化,交流帯磁率,比熱の精密測定、さらには、Johns Hopkins University(米国)・Broholm教授グループとの共同研究による単結晶中性子散乱実験を行った。その結果、長時間スケールにおけるスピンアイス相関に加え、psオーダーの高速ダイナミクスの直接観測に成功した。これは、本系が量子揺らぎを伴った新しいスピンアイス状態、すなわち、量子スピンアイスを形成していることの実験的証拠である。この成果は、Nature Communicationslこ受理された。次に、最低温度20mKまでの誘電率測定から、従来の古典スピンアイスに比べて顕著に大きい磁気誘電結合を見出し、Pr4f軌道と酸素2p軌道の混成が強いことを明らかにした。これは、本系の量子揺らぎが、量子力学的な超交換相互作用を介して導入されていることを強く示唆する。さらに、誘電緩和がモノポールダイナミクスを反映することを見出し、モノポールが電気的手法により検出可能であるという重要な知見を得た。

は this study, a new し い quantum state と し て expect さ れ る quantum ス ピ ン ア イ ス の be 験 of interpret を refers し て い る. そ の alternate material と し て, Pr を ベ ー ス と す る パ イ ロ ク ロ ア magnetic body Pr_2Zr_2O_7 に mesh し, crystallization 単 の virtuous turn と な physical properties determination in detail line を っ た. Of this study was to be applied before に お い て, FZ に よ り cropping し た 単 crystallization の strong physical に い sample dependence が あ る こ と が points か っ て い た が, そ の primarily for の specific に は to っ て い な か っ た. そ こ で, out 発 の raw material composition than お よ び incubation conditions の precision suppression を い, have ら れ た 単 crystallization の chemical composition analysis, structural analysis, マ ク ロ の system basic physical properties determination of line を っ た. そ の results, concentration of Pr と various physical quantities (ワ イ ス や low-temperature heat temperature) に clear な phase masato が あ る こ と を shows し た. One party, the く く く <s:1> test sample で shows the られた number % of the <s:1> ダ <e:1>, the ダ, the physical properties of the polyglycolic acid で and the <s:1> に顕 influence を and えな に顕. こ れ ら の results は, Pr concentration が を dominate す る main factors で あ る こ と を mean し て お り, crystallization 単 tenderness to け に た important な pointer を る こ と が で き た. こ の pointer に 従 っ て virtuous 単 crystallization を し bred, the lowest temperature 20 mk ま で の dc magnetization, exchange 帯 magnetic rate, specific heat の precision determination, さ ら に は, Johns Hopkins University (m), professor Broholm グ ル ー プ と の joint research に よ る 単 crystallization of temper scattered be 験 を line っ た. そ の results, long ス ケ ー ル に お け る ス ピ ン ア イ ス phase masato に え, ps オ ー ダ ー の high-speed ダ イ ナ ミ ク ス の 観 directly measuring に successful し た. こ れ は, the department が quantum 揺 ら ぎ を with っ た new し い ス ピ ン ア イ ス status, す な わ ち, quantum ス ピ ン ア イ ス を form し て い る こ と の be 験 evidence 拠 で あ る. <s:1> the achievements された and Nature Communications sl <e:1> are accepted for された. Times に, lowest temperature 20 mk ま で の induced electricity rate determination か ら, 従 の classical ス ピ ン ア イ ス に than べ て 顕 に large き い magnetic 気 induced electric を see し, Pr4f rail と acid, 2 p orbitals の composite が strong い こ と を Ming ら か に し た. こ れ は, the department の quantum 揺 ら ぎ が, quantum mechanics な superexchange interactions を interface し て import さ れ て い る こ と を く and shown strong sucking す る. さ ら に, induced electric ease が モ ノ ポ ー ル ダ イ ナ ミ ク ス を reflect す る こ と を see し, モ ノ ポ ー ル が electric 気 gimmick に よ り 検 makes possible で あ る と い う important な knowledge を た.

项目成果

Quatum fluctuations in spin-ice-like Pr_2Zr_2O_7

自旋冰状 Pr_2Zr_2O_7 中的量子涨落

• 发表时间: 2013
• 期刊: Nature Communications
• 影响因子: 16.6
• 作者: Shunsuke Tomita;Tomohiro Soejima;Keitaro Yoshimoto;Shunsuke Tomita;冨田峻介;冨田峻介;Shunsuke Tbmita;Kenta Kimura;Kenta Kimura
• 通讯作者: Kenta Kimura

Study of Low-Temperature Magnetism in a Pr-based Pyrochlore Magnet

镨基烧绿石磁体的低温磁性研究

• 发表时间: 2012
• 作者: Shunsuke Tomita;Tomohiro Soejima;Keitaro Yoshimoto;Shunsuke Tomita;冨田峻介;冨田峻介;Shunsuke Tbmita;Kenta Kimura;Kenta Kimura;木村健太;木村健太;木村健太;Kenta Kimura
• 通讯作者: Kenta Kimura

Single-crystal study on the low-temperature magnetism of the pyrochlore magnet Pr2Zr2O7:

烧绿石磁体Pr2Zr2O7低温磁性的单晶研究：

• DOI: 10.3938/jkps.63.719
• 发表时间: 2013
• 期刊: Journal of the Korean Physical Society
• 影响因子: 0.6
• 作者: K. Kimura;S. Nakatsuji and A. A. Nugroho
• 通讯作者: S. Nakatsuji and A. A. Nugroho

パイロクロア磁性体Pr_2Zr_2O_7における極低温磁場中誘電特性

低温磁场中烧绿石磁性材料Pr_2Zr_2O_7的介电性能

• 发表时间: 2012
• 作者: Shunsuke Tomita;Tomohiro Soejima;Keitaro Yoshimoto;Shunsuke Tomita;冨田峻介;冨田峻介;Shunsuke Tbmita;Kenta Kimura;Kenta Kimura;木村健太;木村健太;木村健太
• 通讯作者: 木村健太

軌道自由度を持つハニカム型量子磁性体Ba_3CuSb_2O_9の単結晶合成と基礎物性

轨道自由度蜂窝状量子磁性材料Ba_3CuSb_2O_9的单晶合成及基本物理性质

• 发表时间: 2013
• 作者: Shunsuke Tomita;Tomohiro Soejima;Keitaro Yoshimoto;Shunsuke Tomita;冨田峻介;冨田峻介;Shunsuke Tbmita;Kenta Kimura;Kenta Kimura;木村健太
• 通讯作者: 木村健太