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。

这项研究旨在实验阐明量子自旋冰，这预计将是一种新的量子状态。作为候选材料，基于PR的Pyrochlore磁性材料PR_2ZR_2O_7集中在关注，并测量了单晶和详细的物理特性的纯改进。在实施这项研究之前，发现通过FZ方法制备的单晶的物理特性很大程度上取决于样品，但尚未确定其主要因素。因此，精确控制了起始材料和生长条件的组成比，并对获得的单晶的大型大型特性进行了化学组成分析，结构分析和系统测量。结果，发现PR浓度与每个物理量（Weiss温度和低温特异性热）之间存在明显的相关性。另一方面，在某些样品中观察到的几个％的多余氧气不会显着影响系统的物理特性。这些结果表明，PR浓度是控制物理特性的主要因素，我们为改善纯单晶提供了重要的指南。根据该指南生长紫色的单晶，并在20 MK的最低温度下对DC磁化，AC敏感性和比热进行了精确的测量，并与Johns Hopkins University（USA）的Broholm教授合作进行了单个晶体中子散射实验。结果，除了长期尺度上的旋转冰相关性外，我们还能够直接观察到PS顺序上的高速动力学。这是实验证据表明，该系统形成具有量子波动的新自旋冰状态，即量子自旋冰。这一结果被Nature Communicationsl接受。接下来，从在20 mk的最低温度下测量介电常数，我们发现磁性介电耦合明显大于传统的经典自旋冰，这表明PR4F轨道和氧气2P轨道的杂交很强。这强烈表明，该系统的量子波动是通过量子机械过度交换相互作用引入的。此外，我们发现介电弛豫反映了单极动力学，并且我们获得了重要的知识，即可以通过电气方法检测单孔。

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

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

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

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

スピンアイス的相関を持つPr_2Zr_2O_7における量子揺らぎ

Pr_2Zr_2O_7 中具有自旋冰相关性的量子涨落

• 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
• 通讯作者: 木村健太