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Ghadimi, R.*; 杉本 貴則*; 遠山 貴己
Physical Review B, 102(22), p.224201_1 - 224201_9, 2020/12
被引用回数：10 パーセンタイル：53.43(Materials Science, Multidisciplinary)We examine the Bose-Hubbard model in the Penrose lattice based on inhomogeneous mean-field theory. Since the averaged coordination number in the Penrose lattice is four, the mean-field phase diagram consisting of the Mott insulator (MI) and superfluid (SF) phase is similar to that of the square lattice. However, the spatial distribution of the Bose condensate in the SF phase is significantly different from uniform distribution in the square lattice. We find a fractal structure in its distribution near the MI-SF phase boundary. The emergence of the fractal structure is a consequence of the cooperative effect between quasiperiodicity in the Penrose lattice and criticality at the phase transition.
杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
Physical Review B, 97(14), p.144424_1 - 144424_10, 2018/04
被引用回数：6 パーセンタイル：30.3(Materials Science, Multidisciplinary)Frustrated spin ladders show magnetization plateaux depending on the rung-exchange interaction and frustration defined by the ratio of first and second neighbor exchange interactions in each chain. This paper reports on its magnetic phase diagram. Using the variational matrix-product state method, we accurately determine phase boundaries. Several kinds of magnetization plateaux are induced by the frustration and the strong correlation among quasiparticles on a lattice. The appropriate description of quasiparticles and their relevant interactions are changed by a magnetic field. We find that the frustration differentiates the triplet quasiparticle from the single tone in kinetic energy.
杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴巳*; 前川 禎通
Physics Procedia, 75, p.861 - 867, 2015/12
被引用回数：0 パーセンタイル：0.04(Physics, Applied)The quasi-spin correlations in a frustrated quantum spin ladder with one-half magnetization are theoretically studied by using the density-matrix renormalization-group method and the quasi- spin transformation. In this model, the frustration induces a gapless-to-gapful phase transition with a strong rung coupling. The gapful state is observed as the one-half magnetization plateau in the magnetization curve. In the magnetization-plateau state, we find that the quasi-spin dimer has a large expectation value with long-ranged correlations. This result does not only comes in useful to clarify the magnetization-plateau state, but gives a crucial information to understand the magnetization curve of the real compound BiCu
PO
, whose effective spin model corresponds to ours.
杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴巳*; 前川 禎通
JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.034005_1 - 034005_6, 2015/09
The magnetization curve in a frustrated two-leg spin-ladder system is theoretically studied using both analytical and numerical methods. This spin system is mapped onto a hard-core boson system, which is composed of bond-operators describing the triplon excitation. By the analytical method using the mean-field theory on the bond-operators, we show that cusp singularities emerge in the magnetization curve as a function of a magnetic field due to the strong frustration. This originates from a change of number of Fermi points in the bosonic dispersion relation with the applied field. It is analogous to Lifshitz transition. This singularity is clarified by numerical calculation with the density-matrix renormalization-group method. Our results will be useful to understand the magnetization process observed in the frustrated two-leg spin-ladder compound BiCuHOPOHO.
杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴巳*; 前川 禎通
Physical Review B, 92(12), p.125114_1 - 125114_6, 2015/09
被引用回数：10 パーセンタイル：42.11(Materials Science, Multidisciplinary)The quantum phase transitions induced by a magnetic field are theoretically studied in a frustrated two-leg spin ladder. Using the density-matrix renormalization-group method, we find some magnetic phase transitions and plateaux in two different cases of strong and weak rung couplings. With the strong rung coupling, the three magnetization plateaux are found at 1/3, 1/2, and 2/3 due to the frustration. Those can be understood in terms of a quasi-spinon reconstructed from the singlet and the triplets of spins on a rung. The plateau at 1/2 corresponds to the valence bond solid of the quasispinons, while the plateaux at 1/3 and 2/3 can be associated with the array of quasi-spinons such as soliton lattice. This is different from the usual Bose-Einstein-condensation picture of triplons. Our results will be useful to understand magnetization curves in BiCuPO.
杉本 貴則*; 森 道康; 遠山 貴己*; 前川 禎通
JPS Conference Proceedings (Internet), 3, p.014016_1 - 014016_5, 2014/06
We theoretically study a spin-spin correlation enhanced by non-magnetic impurities in a frustrated two-leg spin ladder. The frustration is introduced by the next-nearest-neighbor antiferromagnetic interaction in the leg direction in the antiferromagnetic two-leg spin ladder. The spin-spin correlation function around impurity site is calculated by the density-matrix renormalization-group method. We find that the spin-spin correlation is enhanced around impurity site with the wavenumber reflecting the frustration. As increasing the frustration, the wavenumber is shifted from commensurate to incommensurate. We discuss several experimental results on BiCuPO in the light of our theory.
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
Physical Review B, 87(15), p.155143_1 - 155143_7, 2013/04
被引用回数：8 パーセンタイル：37.16(Materials Science, Multidisciplinary)高温超伝導体と関連して、低次元量子スピン系の研究が近年盛んに行われている。この新しい候補物質として、BiCuPOが注目を集めている。この物質は、梯子系高温超伝導体と非常に近い構造を持つことが分かっているが、古典的な幾つかの状態が相競合するような、幾何学的フラストレーションを持つという点で異なる。また、この模型は別の見方をすれば、フラストレーションを持った1次元鎖に、鎖間相互作用を導入したものに対応する。本研究では、上記の2つの視点に基づいて、磁気的な励起スペクトルの解析を行った。特に、梯子系の素励起に与えるフラストレーションの効果について詳細な議論を行った。この結果と中性子散乱実験を比較することで、BiCuPOの低温状態が明らかになると期待される。
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
低次元フラストレート量子スピン系の新しい候補として、BiCuPOが挙げられる。この物質の有効スピン模型は、最近接交換相互作用(J1)と次近接交換相互作用(J2)がともに反強磁性的であるJ1-J2鎖を2本並べ、反強磁性鎖間相互作用(Jp)を入れた、2本足スピン梯子系であると考えられている。このフラストレートした2本足スピン梯子系の基底状態としては、鎖内で一重項を形成するコラムナー・ダイマー状態と、梯子の桁で一重項を形成するラング一重項状態の2つの可能性がある。BiCuPOでは、上記のパラメータに議論が残っており、基底状態がどちらの状態になっているか、はっきりとわかっていない。本研究では、この模型の磁気励起構造解析を、動的密度繰り込み郡法を用いて行った。結果として、コラムナー・ダイマー状態とラング一重項状態で、その磁気励起構造に特徴的な差異を見つけることができた。これは、コラムナー・ダイマー状態とラング一重項状態で、一重項を組む方向が異なっていることに起因していると考えられる。この研究と中性子散乱実験の比較によって、超伝導発現の可能性があるBiCuPOの、基底状態と磁気励起構造を決定することができると期待される。
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
低次元フラストレート量子スピン系の新しい候補として、BiCu
PO
が挙げられる。この物質の有効スピン模型は、最近接交換相互作用(
)と次近接交換相互作用(
)がともに反強磁性的である-鎖を2本並べ、反強磁性鎖間相互作用(
)を入れた、2本足スピン梯子系であると考えられている。このフラストレートした2本足スピン梯子系の基底状態としては、鎖内で一重項を形成するコラムナー・ダイマー状態と、梯子の桁で一重項を形成するラング一重項状態の2つの可能性がある。本研究では、これらの背景を踏まえ、フラストレートした2本足スピン梯子系の磁気励起構造の解析を、動的密度繰り込み郡法を用いて行った。その結果として、コラムナー・ダイマー状態とラング一重項状態で、その磁気励起構造に特徴的な差異を見つけることができた。この差異は、特に鎖間方向の波数、0と
を区別して解析することで強調される。この研究と中性子散乱実験の比較によって、超伝導発現の可能性があるBiCuPOの、基底状態と磁気励起構造を決定することができると期待される。
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
低次元フラストレート量子スピン系物質の新しい候補として、BiCuPOが挙げられる。フラストーションのないスピン梯子系の研究は、スピン・ギャップの性質や不純物効果、ホール・ドープした超伝導体の研究と関連して、これまで盛んに行われてきた。これらの研究を、フラストレートした梯子系に応用し、その物理を明らかにするためには、基底状態の性質だけで なく、素励起などの基礎的な性質を調べることが重要である。BiCuPOでは、その結晶構造から、幾つかの交換相互作用に磁気的異方性を持っている可能性があり、磁場依存性を調べるためには、この異方性を含めて議論しなければならない。本研究では、これらの背景を踏まえ、フラストレートした2本足スピン梯子系の磁場依存性を、磁気異方性の効果を含めて議論を行う。
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
We present numerical study on magnetic excitations in a frustrated two-leg spin-ladder model, an antiferromagnetic ladder with intra-chain next-nearest-neighbour antiferromagnetic exchange interaction. This model is a minimal model describing a low-dimensional quantum spin system BiCuPO. We calculate dynamical spin correlation function by using dynamical density-matrix renormalization-group method for some possible phases at zero temperature. We make clear that there are some differences between the magnetic excitations in the zero-temperature phases. The dominant excitations are understood by elementary excitations with spinon and triplon. Especially, bonding mode and anti-bonding mode of triplon in the rung direction are quite different in contrast with the excitations of spinons. Therefore, we insist that the difference of the spectrum weight between the bonding mode and the anti-bonding mode, is important to distinguish the zero- temperature phases. In addition, we examine the anti-bonding mode, so-called bound triplon, in detail. Frustration effect on the bound triplon is also investigated with a perturbation theory from the strong rung limit. Our study is expected to be useful to analyze inelastic neutron scattering data for BiCuPO.
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
Recently, a successive phase transitions induced by magnetic field has been observed in BiCu2PO6. The experimental study claims that a magnetic anisotropy is an origin of this interesting phenomenon. The existence of the magnetic anisotropy can be confirmed by a splitting of the triplet excitation observed in inelastic neutron scattering experiment without magnetic field. Thus, we numerically study magnetic excitations in a frustrated two-leg spin-ladder system, in which all magnetic exchange interactions. This is a minimal model describing a low-dimensional quantum spin compound, BiCuPO. The dynamical density-matrix renormalization-group method is used to calculate the excitation spectrum in the incommensurate rung-singlet phase without magnetic field. We study the successive phase transitions induced by magnetic field. Two ground- state phases emerge with magnetic field both longitudinal and perpendicular to the leg directions. Therefore, the two phases may occur without magnetic anisotropy. First, we discuss the phase transitions by using density-matrix renormalization-group method without magnetic anisotropy. In addition, we mention effects of anisotropy on phase transitions induced by magnetic field.
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
Recent study has shown an impurity-induced magnetic order in a two-leg spin-ladder system BiCuPO. They experimentally and numerically investigated effects of non-magnetic impurity by using NMR, and quantum Monte Carlo simulation. The effect can be understood with the picture of local spin freezing emerging in low-dimensional spin-gapped system, e.g. CuGeO
and SrCuO. However, inelastic neutron scattering for BiCuPO has shown that a strong frustration shifts a wave number of the lowest excitation from commensurate to incommensurate, in contrast with the compounds CuGeO and SrCuO. Thus, the impurity-induced magnetic order may also have an incommensurate wave number. We numerically study effects of impurity on the magnetic excitations in a frustrated two-leg spin-ladder system, in which all magnetic exchange interactions. The dynamical density-matrix renormalization-group method is used to calculate the excitation spectrum in the incommensurate rung-singlet phase. The incommensurate wave number can be observed using inelastic neutron scattering for Zn-doped BiCuPO.
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
We numerically study magnetic excitations in a frustrated two-leg spin-ladder system, in which all magnetic exchange interactions, i.e., the nearest-, next-nearest-neighbor sites in the leg direction, and the nearest-neighbor sites in the rung direction, are antiferromagnetic. This is a minimal model describing a low-dimensional quantum spin compound, BiCuPO. Firstly, we examine the magnetic excitations by using the dynamical density-matrix renormalization-group method in possible magnetic phases, columnar dimer and rung singlet, without magnetic anisotropy and magnetic field. We can distinguish one phase from the other by distribution of the spectral weight. We examine frustration effect on the bonding mode, so-called bound triplon, with a perturbation theory from the strong rung-coupling limit. In addition, we show a splitting of the triplon mode, which is experimentally observed, with respect to magnetic anisotropy of the rung exchange interaction and magnetic field.
POおける不純物誘起長距離秩序杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
低次元フラストレート量子スピン系物質の新しい候補として、BiCuPOが挙げられる。この有効スピン模型は、最近接交換相互作用(J1)と次近接交換相互作用(J2)がともに反強磁性的であるJ1-J2鎖を2本並べ、反強磁性鎖間相互作用(Jp)を入れた、2本足スピン梯子系であると考えられている。フラストーションのないスピン梯子系の研究は、スピン・ギャップの性質や不純物効果、ホール・ドープした超伝導体の研究と関連して、これまで盛んに行われてきた。スピン励起の性質は、フラストレーションによって、本質的に異なったものになる可能性があり、そのため我々はまず素励起の基礎的な性質を調べた。昨今、Bi(Cu1-xMx)PO(M=Zn, Ni)に対する、NMRと
SRの実験的研究から、不純物置換による反強磁性的磁気秩序が現れることが示された。これは、CuGeOやSrCuOにおいて、観測された不純物周りでのスピンの凍結現象と関連して、議論することができる。一方で、BiCuPOはCuGeOやSrCuOとは異なり、フラストレーションが非常に強く、量子揺らぎの影響を受けて、このスピンの局所的な凍結が起こりにくい状況にあると考えられる。そこで、我々は、BiCuPOの有効模型である、フラストレートした2本足スピン梯子系に対して、密度行列繰り込み群法を用い、スピン相関関数を計算することで、不純物誘起の長距離秩序発現の可能性を調べた。
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
低次元フラストレート量子スピン系物質の新しい候補として、BiCuPOが挙げられる。この有効スピン模型は、磁気的フラストレーションを鎖内に内包した2本足スピン梯子系であると考えられている。このフラストレートした2本足スピン梯子系の基底状態は、フラストレーションがない場合と異なり、鎖内で一重項を形成するコラムナー・ダイマー状態と、梯子の桁で一重項を形成するラング一重項状態の2つの可能性がある。我々は、これまでの研究で、2つの異なった基底状態に関して、その磁気励起構造を詳細に調べ、中性子散乱実験との比較・議論が可能な磁気励起スペクトルの振る舞いを明らかにした。その結果、コラムナー・ダイマー状態相とラング一重項状態相では、その素励起も異なるということが分かった。一方、昨今の中性子散乱実験との比較からBiCuPO内の交換相互作用を見積もったところ、その基底状態はラング一重項状態であると期待される。この相における素励起であるトリプロン励起は、ボゾンの統計性をもっているので、磁場下でボーズ・アインシュタイン凝縮を起こす可能性があり、これは実験で得られる磁化過程を理解するためにも重要である。そこで本研究では、これらの背景を踏まえ、フラストレートした2本足スピン梯子系に対する磁場の効果について議論を行う。
杉本 貴則; 森 道康; 遠山 貴己; 前川 禎通
no journal, ,
Recently, successive phase transitions induced by magnetic field have been observed in a frustrated two-leg spin ladder BiCuPO, in which the frustration is introduced by the next-nearest-neighbor antiferromagnetic exchange interaction in the leg direction. First, we calculate the magnetic-field dependence of magnetization by using density-matrix renormalization-group method. In this calculation, we find a phase transition induced by strong frustration, which does not appear in a non-frustrated two-leg spin ladder. The phase transition emerges as a jump of susceptibility with unsaturated finite magnetization. We also investigate the origin of the phase transition by using the bond-operator mean-field approximation. We conclude that the phase transition is the same type as the Lifshitz transition. Our study is useful to analyze experimental data of BiCuPO.
