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$$mu$$SR法を用いた量子スピン系Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$の磁性研究

Magnetic properties of quantum spin system Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$ studied by $$mu$$SR technique

河村 聖子; 富安 啓輔*; 幸田 章宏*; Sari P., D.*; Asih, R.*; Yoon, S. W.*; 渡邊 功雄*; 中島 健次 

Kawamura, Seiko; Tomiyasu, Keisuke*; Koda, Akihiro*; Sari P., D.*; Asih, R.*; Yoon, S. W.*; Watanabe, Isao*; Nakajima, Kenji

Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$は、Cuのスピン1/2による1次元ジグザグ鎖を持つ量子スピン系で、強磁性的な最近接相互作用$$J_1$$と反強磁性的な次近接相互作用$$J_2$$の比$$J_2 / J_1$$から、この系の磁気基底状態は非整合なスピン1重項であることが予想されている。しかしながら、非磁性基底状態の直接的証拠を示す報告は未だなされていない。我々は、この系の磁気基底状態とダイナミクスを明らかにするため、J-PARC物質・科学生命実験施設のミュオンビームラインD1および理化学研究所-RALミュオン施設(英国)において$$mu$$SR測定を行った。零磁場下の時間スペクトルは、室温から20K付近までは温度依存性を示さないが、20Kから1.5Kの間でミュオンスピン緩和のわずかなエンハンスメントが観測された。さらに1.5Kから50mKまでは再び温度変化を示さないことが明らかになった。この結果から、Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$の基底状態は非磁性であることが実証された。また、縦磁場下の時間スペクトルの解析から、スピン1重項形成に伴う内部磁場およびそのダイナミクスの変化をとらえることにも成功した。

Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$ is a quantum spin system having zig-zag chains of the spin-1/2 Cu ions. Whereas the system is expected to exhibit an incommensurate spin-singlet state based on a ratio of the second neighbor ferromagnetic interaction $$J_2$$ to the first neighbor antiferromagnetic interaction $$J_1$$, there is no report to bare a direct evidence for the spin-singlet ground state of this system. We carried out $$mu$$SR measurements on this system, to clarify its ground state and dynamics. In the zero-field measurement, the time spectra do not show changes with temperature from 300 K to 20 K, while the muon spin relaxation is enhanced below 20 K. The relaxation is again independent of temperature below 1.5 K. The result reveals that the ground state of Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$ is nonmagnetic. Furthermore, the longitudinal-field $$mu$$SR measurements indicate characteristic behavior of the internal field and dynamics accompanying formation of the spin singlet.

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