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論文

Localized magnetic excitations in the fully frustrated dimerized magnet Ba$$_{2}$$CoSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$

栗田 伸之*; 山本 大輔*; 金坂 拓哉*; 古川 信夫*; 河村 聖子; 中島 健次; 田中 秀数*

Physical Review Letters, 123(2), p.027206_1 - 027206_6, 2019/07

Magnetic excitations of the effective spin $$S$$ =1/2 dimerized magnet Ba$$_{2}$$CoSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ have been probed directly via inelastic neutron scattering experiments. We observed five types of excitation, which are all dispersionless within the resolution limits. The scattering intensities of the three low-lying excitations were found to exhibit different $$Q$$-dependences. Detailed analysis has demonstrated that Ba$$_{2}$$CoSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ is a two dimensional spin dimer system described only by a single dimer site, where the triplet excitations are localized owing to the almost perfect frustration of the interdimer exchange interactions and the undimerized spins, even in small concentration, make an essential contribution to the excitation spectrum.

論文

Triplon band splitting and topologically protected edge states in the dimerized antiferromagnet

那波 和宏*; 田中 公人*; 栗田 伸之*; 佐藤 卓*; 杉山 晴紀*; 植草 秀裕*; 河村 聖子; 中島 健次; 田中 秀数*

Nature Communications (Internet), 10, p.2096_1 - 2096_8, 2019/05

固体物理学の分野において、現在、その省エネルギーの情報伝達や情報処理への応用もにらんで、トポロジカル物質の探索が精力的に行われている。近年の研究では、フェルミオンである電子にとどまらず、ボゾンにおいてもトポロジカルな状態が生まれることが示唆されている。ここで我々は、スピン1/2のダイマー反強磁性体Ba$$_{2}$$CuSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$について中性子非弾性散乱実験を行い、トポロジカル的に重要と思われるトリプロンのバンドを測定した。実験結果は、ダイマー間相互作用の小さな交替により生じていると思われるトリプロンバンドの分裂を明瞭に捉えた。解析により、Ba$$_{2}$$CuSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$については、初めてとなるボゾンによって実現した結合型Su-Schrieffer-Heeger模型を実現した系であると思われ、トポロジカルに保護された端状態が存在しているものと思われる。

論文

Structure of the magnetic excitations in the spin-1/2 triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet Ba$$_{3}$$CoSb$$_{2}$$O$$_{9}$$

伊藤 沙也*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*; 河村 聖子; 中島 健次; 伊藤 晋一*; 桑原 慶太郎*; 加倉井 和久*

Nature Communications (Internet), 8, p.235_1 - 235_6, 2017/08

 被引用回数:11 パーセンタイル:19.69(Multidisciplinary Sciences)

A spin-1/2 triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet (TLHAF) is a prototypical frustrated quantum magnet, which exhibits remarkable quantum many-body effects that arise from the synergy between spin frustration and quantum fluctuation. The ground-state properties of a spin-1/2 TLHAF are theoretically well understood. However, magnetic excitations are less well understood and the theoretical consensus is limited. The experimental study of the magnetic excitations in spin-1/2 TLHAFs has also been limited. Here we show the whole picture of magnetic excitations in the spin-1/2 TLHAF Ba$$_{3}$$CoSb$$_{2}$$O$$_{9}$$ investigated by inelastic neutron scattering. Significantly different from the theory, the excitation spectra have a three-stage energy structure. The lowest first stage is composed of dispersion branches of single-magnon excitations. The second and third stages are dispersive continua accompanied by columnar continuum extending above 10 meV, which is six times larger than the exchange interaction J=1.67 meV. Our results indicate the necessity of a new theoretical framework.

論文

Softening of magnetic excitations leading to pressure-induced quantum phase transition in gapped spin system KCuCl$$_{3}$$

後藤 健治*; 長壁 豊隆; 加倉井 和久; 上床 美也*; 大沢 明*; 川上 潤*; 田中 秀数*

Journal of the Physical Society of Japan, 76(5), p.053704_1 - 053704_4, 2007/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:44.97(Physics, Multidisciplinary)

スピンギャップ系KCuCl$$_{3}$$における圧力下の磁気励起の中性子非弾性散乱実験を行った。4.7kbarの静水圧下における磁気励起のソフト化が明瞭に観測された。その分散関係の解析により圧力下でダイマー内の相互作用が減少し、ほぼすべてのダイマー間の相互作用が増加することを明らかにした。

論文

Pressure-induced magnetic ordering in KCuCl$$_{3}$$

加倉井 和久; 長壁 豊隆; 後藤 健治*; 大沢 明*; 藤澤 真士*; 田中 秀数*

Physica B; Condensed Matter, 385-386(Part.1), p.450 - 452, 2006/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:91.96(Physics, Condensed Matter)

KCuCl$$_{3}$$及びTlCuCl$$_{3}$$はそれぞれ31K及び7.7Kのギャップエネルギーを持つスピンシングレット基底状態系である。このスピンギャップの要因はCu$$_{2}$$Cl$$_{6}$$が形成する反強磁性ダイマーである。磁化の測定からそれぞれ8.8kbar及び0.42kbarの臨界磁場でこれらの系が圧力誘起磁気秩序を示すことが明らかにされた。今回、圧力下の中性子散乱実験によりこの圧力誘起磁気秩序構造を解明し、スピン-格子相関に起因すると思われる新規なスピン方向変移(spin reorientation)が観測されたので報告する。

論文

Pressure-induced magnetic quantum phase transition in gapped spin system KCuCl$$_{3}$$

後藤 健治; 藤澤 真士*; 田中 秀数*; 上床 美也*; 大沢 明*; 長壁 豊隆; 加倉井 和久

Journal of the Physical Society of Japan, 75(6), p.064703_1 - 064703_7, 2006/06

 被引用回数:25 パーセンタイル:22.7(Physics, Multidisciplinary)

3次元的に弱く結合したスピン・ダイマー系KCuCl$$_{3}$$の静水圧下磁化及び中性子回折実験が行われた。前者の実験により圧力の印加とともにダイマー内の相互作用が弱くなり、ダイマー間の相互作用が強くなることが発見された。これによりスピンギャップが減少し、反強磁性基底状態への量子相転移が臨界圧力Pc$$sim$$8.2kbarで起こる。P$$>$$Pcの圧力下で反強磁性磁気秩序構造を中性子回折実験により明らかにした。

論文

Magnetoelastic coupling in the spin-dimer system TlCuCl$$_3$$

Johannsen, N.*; Vasiliev, A.*; 大沢 明; 田中 秀数*; Lorenz, T.*

Physical Review Letters, 95(1), p.017205_1 - 017205_4, 2005/07

 被引用回数:17 パーセンタイル:31.35(Physics, Multidisciplinary)

磁場誘起相転移を示すTlCuCl$$_3$$において高分解能熱膨張及び磁歪測定を行った。その結果、格子変形が顕著な温度及び磁場依存性を示すことを観測した。これはこの系においてスピン-格子相関が重要であることを示唆している。また、相境界が圧力に対して極めて敏感であることがわかった。これらの結果は一軸圧に対するダイマー内相互作用の変化によるものだと思われる。ダイマー間相互作用に関しては、圧力によって基本的には変化しないが、TlをKに置換すると劇的に変化する。

論文

Dynamics of an anisotropic spin dimer system in a strong magnetic field

Kolezhuk, A. K.*; Glazkov, V. N.*; 田中 秀数*; 大沢 明

Physical Review B, 70(2), p.020403_1 - 020403_4, 2004/07

 被引用回数:39 パーセンタイル:15.5(Materials Science, Multidisciplinary)

スピンダイマー物質TlCuCl$$_3$$において最近測定された強磁場ESRスペクトルを有効場理論を用いて解析した。その結果、ダイマー内及びダイマー間交換相互作用に弱い異方性を仮定することによって全ての測定条件におけるESRの実験結果を理論的に説明できることがわかった。

論文

Pressure-induced successive magnetic phase transitions in the spin gap system TlCuCl$$_{3}$$

大沢 明; 加倉井 和久; 長壁 豊隆; 中村 充孝; 武田 全康; 田中 秀数*

Journal of the Physical Society of Japan, 73(6), p.1446 - 1449, 2004/06

 被引用回数:30 パーセンタイル:21.22(Physics, Multidisciplinary)

TlCuCl$$_{3}$$はこれまでに行われてきた磁気測定の結果から基底状態がスピン-重項で励起状態との間に有限なエネルギーギャップ$$Delta$$=7.7Kを持つスピンギャップ系であることがわかっている。最近、この系に対して、${it P}$=1.48GPaの静水圧を印加し非偏極中性子弾性散乱実験を行ったところ、零磁場中で${it T}$$$_{N}$$=16.9K以下において三次元秩序に伴う磁気ブラッグ散乱を観測した。われわれは今回この圧力誘起相転移に伴う磁気秩序構造についてより詳細に調べるために偏極中性子弾性散乱実験を行った。その結果、${it T}$$$_{N}$$=16.9K直下では秩序モーメントはa-c面内に寝ていて、${it T}$$$_{SR}$$=10.0Kで逐次相転移を起こし、モーメントがb軸方向に立ち始める振る舞いを新たに発見した。

論文

Field-induced magnetic order and simultaneous lattice deformation in TlCuCl$$_3$$

Vyaselev, O.*; 瀧川 仁*; Vasiliev, A.*; 大沢 明; 田中 秀数*

Physical Review Letters, 92(20), p.207202_1 - 207202_4, 2004/05

 被引用回数:35 パーセンタイル:18.77(Physics, Multidisciplinary)

ダイマースピンギャップ系TlCuCl$$_3$$において磁場中におけるCu核及びCl核のNMR測定及び熱膨張測定を行った。その結果、NMR線の分裂から磁場誘起反強磁性相転移を確認し、その相転移がわずかに不連続的であることを新しく見いだした。また、相境界を横切る際にClサイトの電場勾配の突然の変化や格子定数の大きい変化を観測し、これらの結果はこの磁気秩序が格子変形を伴っていることを意味し、この系におけるスピン-格子相関の重要性を示唆している。

論文

Magnetization plateaux of the ${it S}$=1/2 two-dimensional frustrated antiferromagnet Cs$$_{2}$$CuBr$$_{4}$$

小野 俊雄*; 田中 秀数*; Kolomiyets, O.*; 三田村 裕之*; 後藤 恒昭*; 中島 健次; 大沢 明; 小池 良浩; 加倉井 和久; Klenke, J.*; et al.

Journal of Physics; Condensed Matter, 16(11), p.S773 - S778, 2004/03

 被引用回数:47 パーセンタイル:12.37(Physics, Condensed Matter)

磁化過程及び中性子散乱実験を用いて${it S}$=1/2二次元三角格子反強磁性体Cs$$_{2}$$CuBr$$_{4}$$の磁性を調べた。その結果、以下のようなことがわかった。この系は零磁場中ではT$$_{N}$$=1.4Kで波数${it Q}$=(h,k,1)=(0,0.575,0)に対応する不整合構造を持つ磁気秩序を起こす。またこの系に、b軸及びc軸方向に磁場を印加していくと、飽和磁化の約1/3のところに磁化プラトーを示す。a軸方向に磁場をかけた場合は、特に異常は示さない。また磁場印加に伴って零磁場磁気構造の波数${it Q}$=(0,0.575,0)からkが増加をはじめ、1/3プラトー領域で${it Q}$=(0,0.662,0)でロックされることがわかった。これは、1/3プラトー領域では量子揺らぎによってuud構造が安定化されていることを示している。また、1/3領域からさらに磁場を印加していくと2/3プラトーも発現しているような振る舞いも見られた。

論文

Neutron diffraction study of the pressure-induced magnetic ordering in the spin gap system TlCuCl$$_{3}$$

大沢 明; 藤澤 真士*; 長壁 豊隆; 加倉井 和久; 田中 秀数*

Journal of the Physical Society of Japan, 72(5), p.1026 - 1029, 2003/05

 被引用回数:54 パーセンタイル:11.29(Physics, Multidisciplinary)

TlCuCl$$_{3}$$はこれまでに行われてきた磁気測定の結果から基底状態がスピン一重項で励起状態との間に有限なエネルギーギャップ$$Delta$$=7.7Kを持つスピンギャップ系であることがわかっている。最近この物質に$$P$$$$sim$$0.8GPa程度の静水圧をかけると零磁場において$$T_{N}$$$$sim$$11Kで三次元秩序を示す相転移を起こすことが磁化測定から観測された。われわれはこの圧力誘起相転移の磁気構造を調べるために中性子弾性散乱実験を行った。その結果、$$P$$=1.48GPaの圧力下で$$T_{N}$$=16.9K以下において波数$$Q$$=($$h$$, 0, $$l$$)($$h$$は整数,$$l$$は奇数)に対応する点で磁気ブラッグ散乱を観測した。また$$T$$=12.2K及び$$T$$=4.0Kにおいて磁気ブラッグ散乱強度の比から磁気構造を決定した。その結果、$$T_{N}$$以下で一度磁気モーメントが$$a-c$$ 面内で秩序化し、さらに低温で$$b$$軸方向に向きを変えているということがわかった。また$$T$$=12.2Kで得られた磁気構造はすでに観測されているTlCuCl$$_{3}$$$$Hparallel$$bにおける磁場誘起磁気秩序相及びTl(Cu$$_{0.97}$$Mg$$_{0.03}$$)Cl$$_{3}$$における不純物誘起反強磁性秩序相の磁気構造とほぼ同じであることがわかった。

論文

Neutron scattering study of magnetic ordering and excitations in the doped spin-gap system Tl(Cu$$_{1-x}$$Mg$$_{x}$$)Cl$$_{3}$$

大沢 明; 藤澤 真士*; 加倉井 和久; 田中 秀数*

Physical Review B, 67(18), p.184424_1 - 184424_8, 2003/05

 被引用回数:29 パーセンタイル:20.78(Materials Science, Multidisciplinary)

ドープされたスピンギャップ系Tl(Cu$$_{0.97}$$Mg$$_{0.03}$$)Cl$$_{3}$$における不純物誘起反強磁性秩序での磁気構造及び磁気励起を調べるために中性子散乱実験を行った。その結果、T$$_{N}$$=3.45K以下で磁気ブラッグ散乱を観測し、磁気構造を決定した。その結果、この磁気構造は母体物質であるTlCuCl$$_{3}$$の磁場誘起秩序相の磁気構造と同じであることがわかった。またTlCuCl$$_{3}$$と同様に三重項磁気励起を観測し、その磁気励起の分散関係を決定した。そして、スピンギャップに対応する最小エネルギー励起も観測した。またそのスピンギャップの温度変化を調べた結果、T$$_{N}$$以下で急激に増大する振る舞いが見られた。この結果はこの系において、不純物誘起反強磁性秩序とスピンギャップが共存しているのを強く主張している。

論文

Magnetic excitations in the spin-gap system TlCuCl$$_{3}$$

大沢 明*; 加藤 徹也*; 田中 秀数*; 加倉井 和久; M$"u$ller, M.*; Mikeska, H.-J.*

Physical Review B, 65(9), p.094426_1 - 094426_7, 2002/03

 被引用回数:69 パーセンタイル:7.35(Materials Science, Multidisciplinary)

TlCuCl$$_{3}$$は基底一重項を持ち0.65MeVの励起ギャップを示す系である。中性子非弾性散乱によりTlCuCl$$_{3}$$における磁気励起を研究した。4方向の分散関係が決定され、そこから各々の相互作用が見積もられ、TlCuCl$$_{3}$$が比較的強くカップルしたスピン・ダイマー系であることを明らかにした。

論文

Magnetic excitations in the quantum spin system NH$$_{4}$$CuCl$$_{3}$$

大沢 明; 小野 俊雄*; 加倉井 和久; 田中 秀数*

Proceedings of Workshop on the Perspectives in Single Crystal Neutron Spectroscopy (SCNS 2002) (CD-ROM), 4 Pages, 2002/00

NH$$_{4}$$CuCl$$_{3}$$は結晶構造の特徴として、化学的ダイマーCu$$_{2}$$Cl$$_{6}$$がa軸方向に二重鎖を形成しており、飽和磁化の1/4と3/4のところに磁化プラトーを持つ物質である。今回われわれはこの物質の磁気励起を調べるために、中性子非弾性散乱の実験を行った。その結果、約1.5meVと約3meVのところに磁気励起を観測し、またそれぞれの磁気励起について分散関係を決定した。

口頭

TlCuCl$$_{3}$$及びKCuCl$$_{3}$$の高圧下における磁化測定と中性子散乱

後藤 健治*; 藤澤 真士*; 大沢 明*; 加倉井 和久; 長壁 豊隆; 上床 美也*; 田中 秀数*

no journal, , 

TlCuCl$$_{3}$$及びKCuCl$$_{3}$$はそれぞれ7.7K及び31Kのギャップエネルギーを持つスピンシングレット基底状態系である。このスピンシングレット基底状態の要因はCu$$_{2}$$Cl$$_{6}$$が形成する反強磁性ダイマーである。この発表では圧力下の磁化測定及び中性子散乱による圧力誘起磁気秩序の研究について報告する。磁化測定からTlCuCl$$_{3}$$及びKCuCl$$_{3}$$がそれぞれ0.42 kbar及び8.2kbarの臨界圧力以上で磁気秩序を示すことを明らかにした。中性子回折実験によりそれぞれの圧力誘起磁気秩序構造が解明され、スピン-格子相関に起因すると思われるスピン方向変移が発見された。

口頭

擬一次元反強磁性体Cu$$_2$$Cl$$_4$$H$$_8$$C$$_4$$SO$$_2$$のスピンダイナミクス

藤澤 真士*; 白木 高輔*; 大久保 晋*; 太田 仁*; 吉田 誠*; 田中 秀数*; 坂井 徹

no journal, , 

二重鎖構造を持つ擬一次元反強磁性体Cu$$_2$$Cl$$_4$$H$$_8$$C$$_4$$SO$$_2$$のスピンダイナミクスについて、電子スピン共鳴(ESR)を用いて研究した結果を報告する。この系はスピンギャップを持つことが知られているが、スピンギャップはスピン一重項と三重項の間の励起のため、ESR遷移はスピンの保存則により禁止されている。ところが、この系ではスピンギャップに相当するESR遷移が観測された。本研究では、このESR遷移のメカニズムがジャロシンスキー・守谷相互作用であることを立証し、ESR強度の角度依存性に選択則を適用することにより、その相互作用ベクトルの向きを特定することに成功した。

口頭

Elementary excitations in an S=1/2 antiferromagnetic chain KCuGaF$$_{6}$$

田中 秀数*; 栗田 伸之*; 梅垣 いづみ*; 小野 俊雄*; Laver, M.*; Niedermayer, Ch.*; R$"u$egg, Ch.*; 河村 聖子; 中島 健次; 加倉井 和久

no journal, , 

Neutron scattering experiments using AMATERAS at J-PARC in zero magnetic field and RITA-II at PSI in magnetic field have been performed to investigate elementary excitations in the S=1/2 antiferromagnetic spin chain system KCuGaF$$_{6}$$. The lower bound of magnetic excitations is well described by the des Cloizeaux and Pearson (dCP) mode and the spinon continuum above the dCP mode is observed.

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