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論文

Contrasting magnetic structures in SrLaCuSbO$$_{6}$$ and SrLaCuNbO$$_{6}$$; Spin-$$frac{1}{2}$$ quasi-square-lattice $$J_{1}$$-$$J_{2}$$ Heisenberg antiferromagnets

渡邊 正理*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*; 植野 航*; 松井 一樹*; 後藤 貴行*; 萩原 雅人

Physical Review B, 105(5), p.054414_1 - 054414_12, 2022/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:61.85(Materials Science, Multidisciplinary)

We report the magnetic properties of the double perovskites SrLaCuSbO$$_{6}$$ (SLCSO) and SrLaCuNbO$$_{6}$$ (SLCNO). The temperature dependence of the magnetic susceptibilities of both com-pounds shows a broad maximum characteristic of an $$S$$ = 1/2 square lattice Heisenberg antiferromagnet. Magnetic ordering occurs at $$T$$$$_{rm N}$$ = 13.6 and 15.7 K for SLCSO and SLCNO, respectively. Neutron powder diffraction measurements reveal contrasting spin structures in both compounds. The spin structures of SLCSO and SLCNO below $$T$$$$_{rm N}$$ are N$'e$el antiferromagnetic and collinear antiferromagnetic, respectively. This result demonstrates that the nearest-neighbor interaction is dominant in SLCSO, whereas the next-nearest-neighbor interaction is dominant in SLCNO. The magnitude of the ordered moment was evaluated at 3.5 K to be $$m$$ = 0.39(3) $$mu$$$$_{rm B}$$ for SLCSO and 0.29(2) $$mu$$$$_{rm B}$$ for SLCNO, which are significantly smaller than those calculated using linear spin wave theory. We infer that the small ordered moment is caused by the effect of exchange bond randomness arising from the site disorder of Sr and La ions.

論文

Structures of magnetic excitations in the spin-$$frac{1}{2}$$ kagome-lattice antiferromagnets Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ and Rb$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$

齋藤 睦己*; 高岸 龍之介*; 栗田 伸之*; 渡邊 正理*; 田中 秀数*; 野村 竜司*; 福元 好志*; 池内 和彦*; 梶本 亮一

Physical Review B, 105(6), p.064424_1 - 064424_15, 2022/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:69.66(Materials Science, Multidisciplinary)

Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ is a spin-$$frac{1}{2}$$ antiferromagnet on a nearly uniform kagome lattice. This compound undergoes magnetic ordering with the $$q$$ = 0 structure and positive chirality, which is mainly caused by the large Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Rb$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ is a spin-$$frac{1}{2}$$ antiferromagnet on a modified kagome lattice with a $$2a$$ $$times$$ $$2a$$ enlarged chemical unit cell at room temperature. Its ground state is a pinwheel valence bond solid (VBS) with an excitation gap. Here, we show the structures of magnetic excitations in Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ and Rb$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ investigated by inelastic neutron scattering in wide energy and momentum ranges. For Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$, four single-magnon excitation modes were observed. It was confirmed that the energy of single-magnon excitations arising from the $$Gamma'$$ point in the extended Brillouin zones is largely renormalized downwards. It was found that the broad excitation continuum without a marked structure spreads in a wide energy range from $$0.15J$$ to approximately $$2.5J$$. These findings strongly suggest spinon excitations as elementary excitations in Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$. In Rb$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$, singlet-triplet excitations from the pinwheel VBS state and their ghost modes caused by the enlargement of the chemical unit cell were clearly confirmed. It was found that the excitation continuum is structured in the low-energy region approximately below $$J_mathrm{avg}$$ and the almost structureless high-energy excitation continuum extends to approximately $$2.6J_mathrm{avg}$$. The characteristics of the high-energy excitation continuum are common to both Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ and Rb$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$, irrespective of their ground states. The experimental results strongly suggest that the spin liquid component remains in the ground state as quantum fluctuations in Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ and Rb$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$.

論文

Magnons and spinons in Ba$$_{2}$$CoTeO$$_{6}$$; A Composite system of isolated spin-$$frac{1}{2}$$ triangular Heisenberg-like and frustrated honeycomb Ising-like antiferromagnets

児島 佑樹*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*; 中島 健次

Physical Review B, 105(2), p.L020408_1 - L020408_6, 2022/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:51.2(Materials Science, Multidisciplinary)

二次元性の良いスピン1/2Heisenberg三角格子反強磁性体を含むBa$$_{2}$$CoTeO$$_{6}$$の磁気励起を中性子散乱を用いて観測した。Ba$$_{2}$$CoTeO$$_{6}$$の磁気モデルは2つの独立した二次元系スピン1/2Heisenberg三角格子反強磁性体とIsing的J1-J2-J3ハニカム格子反強磁性体で捉えることができる。三角格子に由来する励起スペクトルは線形スピン波理論の分散関係とは異なり、複数のロトンライクミニマムを持つ。これはフェルミオニックスピノンを用いた計算によって示される結果と類似している。ハニカム格子に由来する分散関係は高エネルギー領域に現われ、線形スピン波理論で捉えることができた。

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

 被引用回数:4 パーセンタイル:37.12(Physics, Multidisciplinary)

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

 被引用回数:15 パーセンタイル:75(Multidisciplinary Sciences)

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:67 パーセンタイル:93.85(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

Delocalization of the $$f$$ electron in Ce$$_x$$La$$_{1-x}$$Ru$$_2$$Si$$_2$$; The de Haas-van Alphen effect measurement

松本 裕司; 木村 憲彰*; 小松原 武美*; 青木 晴善*; 栗田 伸之*; 寺嶋 太一*; 宇治 進也*

Journal of Physics; Conference Series, 391, p.012042_1 - 012042_4, 2012/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:43.65

CeRu$$_2$$Si$$_2$$は、$$gamma$$ of 350mJ/mol K$$^2$$を持つ典型的な重い電子系物質である。この物質の[001]方向に磁場を印加したときに、7.7Tでメタ磁性転移を引き起こす。一方、この(001)面内に磁場を印加したときは、メタ磁性を引き起こさない。この大きな磁気異方性は、CeをLaに置換したときにおいても、常に残っている。CeをLaに置換すると、$$x_c$$=0.91で反強磁性秩序を起こし、Ceが希薄濃度になると反強磁性秩序は消失する。そして、Ce濃度が非常に薄い濃度領域で不純物近藤効果を引き起こす。$$x$$=0.02の試料では、近藤温度を1.3Kと見積もった。その濃度において、dHvA振動の観測に成功した。そして、温度に対してフェルミ面が連続的に変化していることを明らかにした。このことは、f電子は、不純物近藤効果を起こし近藤シングレットを形成したときは遍歴していて、温度の上昇とともに局在化していくことを示している。

口頭

Ce$$_x$$La$$_{1-x}$$Ru$$_2$$Si$$_2$$混晶系のCe希薄領域でのフェルミ面の変化,3

松本 裕司; 木村 憲彰*; 小松原 武美*; 青木 晴善*; 栗田 伸之*; 寺嶋 太一*; 宇治 進也*

no journal, , 

CeRu$$_2$$Si$$_2$$は、正方晶ThCr$$_2$$Si$$_2$$型結晶構造で、350mJ/mol K$$^2$$の電子比熱係数を持つ典型的な重い電子系である。この物質の[001]方向に磁場を印加すると、約7.7Tでクロスオーバー的なメタ磁性転移を起こす。dHvA効果測定によると、このメタ磁性とともに、f電子が遍歴から局在に変化するようなフェルミ面の変化を起こす。一方、(001)面内に磁場を印加した時は、メタ磁性も起こさず、f電子は遍歴のままである。この大きな磁気異方性は、CeRu$$_2$$Si$$_2$$のCeをLaに希釈しても、常に存在する。われわれは、dHvA効果測定により、(001)面内に磁場を印加したときに、f電子のないLaRu$$_2$$Si$$_2$$のLaをわずかにCeに置換したCe濃度において、f電子が遍歴している可能性が高いことを明らかにした。もし、Ce希薄濃度で既にf電子が遍歴しているとすれば、高温で局在していたf電子が、不純物近藤効果により降温で遍歴するはずである。今回は、新たにCe希薄濃度において温度によるフェルミ面の変化を、dHvA効果の測定により観測した。

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.

口頭

Detail measurement on non-Kitaev term spin dynamics in $$alpha$$-RuCl$$_{3}$$

中島 健次; 児島 佑樹*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*

no journal, , 

2次元ハニカム格子上に配置された$$S=1/2$$の量子スピンが3つの非等価なイジング型相互作用によって結ばれるキタエフ模型は、基底状態が量子スピン液体となりなおかつ厳密解を持つ唯一の模型である。2次元磁性体$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$が候補物質として広く研究されているが、現実の系として、キタエフ項以外による相互作用の系が存在し、それがこの系の磁性の理解を困難にしている。我々は、$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$の純良結晶を用い、非キタエフ項の効果を明らかにするために、この項が支配的となる低温,低エネルギー領域のスピンダイナミクスの精密測定を試みている。発表においては、最新のデータと解析結果を紹介する。

口頭

$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$における非キタエフ項寄与のスピンダイナミクスの中性子非弾性散乱による測定

中島 健次; 児島 佑樹*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*

no journal, , 

中性子散乱を用いた$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$の磁気励起の精密測定結果について報告する。$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$の磁気励起に関する中性子散乱以外も含めた実験の報告や理論的な議論と比較し、我々の実験で得られた磁気励起の微細な構造やその温度変化について考察する。

口頭

スピン1/2 Heisenberg三角格子・Isingハニカム格子複合反強磁性体Ba$$_{2}$$CoTeO$$_{6}$$のマグノンとスピノン

児島 佑樹*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*; 中島 健次

no journal, , 

二次元性の良いスピン1/2 Heisenberg三角格子反強磁性体を含むBa$$_{2}$$CoTeO$$_{6}$$の磁気励起の観測結果から議論を行う。Ba$$_{2}$$CoTeO$$_{6}$$の磁気モデルは二つの独立した二次元系スピン1/2 Heisenberg三角格子反強磁性体(サブシステムA)とIsing的J1-J2-J3ハニカム格子反強磁性体(サブシステムB)で捉えることができる。

口頭

Detail measurement on low temperature spin dynamics in $$S$$=1/2 honeycomb antiferromagnet, $$alpha$$-RuCl$$_{3}$$

中島 健次; 児島 佑樹*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*

no journal, , 

中性子散乱を用いた$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$の磁気励起の特に低エネルギー側の精密測定結果について報告する。$$alpha$$-RuCl$$_{3}$$の磁気励起に関する中性子散乱以外も含めた実験の報告や理論的な議論と比較し、我々の実験で得られた磁気励起の微細な構造やその温度変化について考察することで、この系におけるKitaev模型の実現を探る。

口頭

スピン1/2三角格子反強磁性体$$mathrm{Ba_3CoSb_2O_9}$$の構造的な連続励起と短距離相関

児島 佑樹*; 中島 健次; 栗田 伸之*; 田中 秀数*; 河村 聖子; 村井 直樹

no journal, , 

スピン1/2 Heisenberg三角格子反強磁性体の基底状態は120$$^circ$$構造の秩序を持つというコンセンサスがある。一方でスピン1/2 Heisenberg三角格子反強磁性体$$mathrm{Ba_3CoSb_2O_9}$$の磁気励起スペクトルには線形スピン波理論では説明できない特徴が現われており、議論が続いている。その顕著な例としてロトン的極小現象と構造的な連続励起が挙げられる。ロトン的極小現象においては連続励起との準位反発などの理論的提案がいくつかなされているが、構造的な連続励起については今後の理論的解明が期待されている。今回の発表では我々は$$mathrm{Ba_3CoSb_2O_9}$$の磁気励起スペクトルの温度変化から構造的な連続励起における特徴を明らかにする。我々はJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)の冷中性子ディスクチョッパー型分光器AMATERASを用いて3点の温度条件で$$mathrm{Ba_3CoSb_2O_9}$$の磁気励起スペクトルを得た。常磁性相($$T=4.3$$K)の励起スペクトルでは単マグノンのブランチは崩壊していたが、構造的な連続励起は常磁性相でも構造を残すことが明らかになった。

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