Quantum spin nanotubes; Frustration, competing orders and criticalities

量子スピンナノチューブ; フラストレーション,競合する秩序,臨界性

坂井 徹; 佐藤 正寛*; 岡本 清美*; 奥西 巧一*; 糸井 千岳*

Sakai, Toru; Sato, Masahiro*; Okamoto, Kiyomi*; Okunishi, Koichi*; Itoi, Chigaku*

スピンナノチューブについての最近の理論的研究をレビューする。特に、S=1/2 3本鎖スピンチューブに焦点をあてる。3本鎖スピンラダーと違って、正三角形のユニットセルを持つスピンチューブはスピンギャップが開いている。ハバード模型に基づく有効理論によると、このユニットセルが二等辺三角形になる格子ひずみによりスピンギャップが消失する量子相転移が起きることが予測される。このことは、数値対角化と密度行列繰り込み群による数値解析により立証された。さらに、われわれは新しい磁場誘起秩序として、ネール秩序,ダイマー秩序,カイラル秩序,不均一秩序などが生じることや、新しいメカニズムによる磁化プラトー現象が起きることも、理論的に示すことに成功した。最近合成された実際のスピンチューブ物質についても簡単にレビューする。

Recent developments of theoretical studies on spin nanotubes are reviewed, especially focusing on the S=1/2 three-leg spin tube. In contrast to the three-leg spin ladder, the tube has a spin gap in case of the regular-triangle unit cell when the rung interaction is sufficiently large. The effective theory based on the Hubbard Hamiltonian indicates a quantum phase transition to the gapless spin liquid due to the lattice distortion to an isosceles triangle. This is also supported by the numerical diagonalization and the density matrix renormalization group analyses. Furthermore, combining analytical and numerical approaches, we reveal several novel magnetic-field-induced phenomena: Nel, dimer, chiral and/or inhomogeneous orders, new mechanism for the magnetization plateau formation, and others. The recently synthesized spin tube materials are also briefly introduced.