多体交換が生むギャップレス・スピン液体の研究

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核スピン1/2を持つ^3He単原子膜が形成するグラファイト上吸着第2層の4/7整合相は、強い磁気フラストレーションによってギャップレスの量子スピン液体状態となることが知られている。この系の低温極限における性質の探索はこれまで幾度も行われてきたが、帯磁率測定が交換相互作用Jに対してT/J～1/300まで行われているのに対し、比熱測定はT/J～0.18までの測定に限られていた。私はこの低温極限におけるギャップレス・スピン液体の比熱の振る舞いを調べるために、4/7整合相におけるJが下地として吸着させる原子/分子の種類を変化させることで大きく変更できることに着目し、最も大きいJ～3.0mKを持つHD(重水素化水素)2層上の4/7整合相を用いることで、これまでで最も相対温度T/Jの低い温度域に至る熱容量測定を試みた。その結果、T/J=0.13というこれまでで最も低温までの熱容量測定に成功した。T/J<0.6での比熱は非常によく温度に比例しており、これは、スピノンのフェルミ面形成モデルなどの低温極限での比熱が温度に比例するモデルがこのギャップレス・スピン液体のスピン励起を記述する上で有効であることを示している。また、過去の^3Heおよび^4He上4/7整合相の比熱がT/J～0.6および4あたりにダブルピークを持つ温度依存性を示していたのに対し、本研究で得られたHD2層上での結果は同じ温度領域で緩やかなシングルピークを示す。この比熱構造は固体^3Heに働く多体交換相互作用の高次の項の競合具合によって大きく変化することが知られており、本研究でも面密度の変化によって競合の度合いが大きく変化したことによるものと推測される。ただし、このような高次交換の競合の変化は、低温極限での励起に対してはほとんど影響を与えないことも確認された。