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論文

$$mu$$SR studies on copper minerals

藤原 理賀; 岡部 博孝*; 幸田 章宏*

Interactions (Internet), 245(1), p.13_1 - 13_6, 2024/12

https://doi.org/10.1007/s10751-024-01856-7

量子状態を実験的に観測することは難しい。さらに、エキゾチックな量子状態が実現すると予測されている格子系の中には、理想的なモデル物質が見つかっていない系も存在する。銅鉱物の中には、未研究の低次元量子磁性体がまだまだ多く存在し、その数は年々増加している。我々は、銅鉱物が発見された自然環境を模倣することで7種類の銅鉱物の人工合成に成功し、さらにその量子状態を報告した。パルスミュオンの特性は、人工銅鉱物のスピン状態の調査に大変適している。その有用性を、fedotoviteの$$mu$$SR測定の結果を示しながら、紹介する。

論文

Local electronic structure of interstitial hydrogen in MgH$$_2$$ inferred from muon study

門野 良典*; 平石 雅俊*; 岡部 博孝*; 幸田 章宏*; 伊藤 孝

Journal of Physics; Condensed Matter, 35(28), p.285503_1 - 285503_13, 2023/07

https://doi.org/10.1088/1361-648X/acccc7
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Physics, Condensed Matter)

Magnesium hydride has great potential as a solid hydrogen (H) storage material because of its high H storage capacity of 7.6 wt%. However, its slow hydrogenation and dehydrogenation kinetics and the high temperature of 300 $$^circ$$C required for decomposition are major obstacles to small-scale applications such as automobiles. The local electronic structure of interstitial H in MgH$$_2$$ is an important fundamental knowledge in solving this problem, which has been studied mainly based on density functional theory (DFT). However, few experimental studies have been performed to assess the results of DFT calculations. We have therefore introduced muon (Mu) as pseudo-H into MgH$$_2$$ and investigated the corresponding interstitial H states by analyzing their electronic and dynamical properties in detail. As a result, we observed multiple Mu states similar to those observed in wide-gap oxides, and found that their electronic states can be attributed to relaxed-excited states associated with donor/acceptor levels predicted by the recently proposed ambipolarity model. This provides an indirect support for the DFT calculations on which the model is based via the donor/acceptor levels. An important implication of the muon results for improved hydrogen kinetics is that dehydrogenation, serving as a reduction for hydrides, stabilises the interstitial H$$^-$$ state.

論文

Short-range spin order in paramagnetic AgCrSe$$_{2}$$

中村 惇平*; 川北 至信; 岡部 博孝*; Li, B.*; 下村 浩一郎*; 末益 崇*

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 175, p.111199_1 - 111199_8, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2022.111199
 被引用回数：1 パーセンタイル：15.7(Chemistry, Multidisciplinary)

Muon spin rotation ($$mu$$SR) experiments were performed to directly investigate the temperature dependence of the short-range order or correlations of chromium spins in the paramagnetic phase of AgCrSe$$_{2}$$. The detailed investigation of the $$mu$$SR spectra over a wide temperature range from low to high temperatures revealed that the short-range spin correlations developed below about 184 K. It also confirmed no short-range correlations at high temperatures, which had been controversial in previous quasi-elastic neutron scattering studies. In addition, the muon spin relaxation was qualitatively changed and showed large missing asymmetry below about 89 K, where the correlation clearly implied short-range spin order. There could be a preparative phenomenon of the phase transition or an anisotropic short-range spin correlation.

論文

Spin gap in the weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet KCuPO$$_{4}$$$$cdot$$H$$_{2}$$O

藤原 理賀; 萩原 雅人; 森田 克洋*; 村井 直樹; 幸田 章宏*; 岡部 博孝*; 満田 節生*

Physical Review B, 107(5), p.054435_1 - 054435_8, 2023/02

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.054435
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)

$$S$$ = 1/2ハイゼンベルグ直線鎖反強磁性体は、最も単純なスピンモデルであるが、様々な量子多体現象のプラットフォームを提供する。この論文では、準一次元反強磁性体KCuPO$$_{4}$$$$cdot$$H$$_{2}$$Oの磁性を報告した。$$T_{rm{N}}$$ = 11.7(1) Kにおいて、格子整合な長距離反強磁性秩序が形成され、その磁気モーメントの大きさは0.31(1) $$mu_{rm{B}}$$である事がわかった。また鎖内相互作用$$J$$と鎖間相互作用$$|J'|$$の大きさはそれぞれ172Kと4.25(4) Kと見積もられ、$$|J'|$$/$$J$$の比は0.0247(3)である。中性子非弾性散乱実験により、$$T_{rm{N}}$$より高温では、一次元ハイゼンベルグ量子スピン鎖の特徴である連続体励起スペクトルが観測され、$$T_{rm{N}}$$より低温では、分散励起にスピンギャップが観測された。これらの結果は、弱く結合した$$S$$ = 1/2ハイゼンベルグスピン鎖系で観測される性質と一致する。

論文

Birchite Cd$$_{2}$$Cu$$_{2}$$(PO$$_{4}$$)$$_{2}$$SO$$_{4}$$ $$cdot$$ 5H$$_{2}$$O as a model antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg $${it J}$$$$_{1}$$-$${it J}$$$$_{2}$$ chain

藤原 理賀; Jeschke, H. O.*; 森田 克洋*; 桑井 智彦*; 幸田 章宏*; 岡部 博孝*; 松尾 晶*; 金道 浩一*; 満田 節生*

Physical Review Materials (Internet), 6(11), p.114408_1 - 114408_8, 2022/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.114408
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)

$${it S}$$ = 1/2ハイゼンベルグ$${it J}$$$$_{1}$$-$${it J}$$$$_{2}$$反強磁性鎖は、エキゾチックなスピン状態の発現が予想されており、広く研究されている。この論文では、birchiteと呼ばれる銅鉱物、化学式Cd$$_{2}$$Cu$$_{2}$$(PO$$_{4}$$)$$_{2}$$SO$$_{4}$$$$cdot$$5H$$_{2}$$Oの磁気挙動とその有効スピンモデルについて報告する。帯磁率,磁化,比熱,$$mu$$SR測定による実験的研究から、0.4Kまで長距離秩序を示さないことがわかった。理論研究から、birchiteは$${it J}$$$$_{1}$$-$${it J}$$$$_{2}$$反強磁性鎖のモデル化合物であり、鎖内相互作用$${it J}$$$$_{1}$$、$${it J}$$$$_{2}$$は反強磁性的で、その大きさは鎖間相互作用の約100倍であることがわかった。$${it J}$$$$_{2}$$の大きさは$${it J}$$$$_{1}$$の大きさの2$$sim$$3倍であるため、スピンギャップは$${it J}$$$$_{1}$$の数%に過ぎないと予想される。比熱の温度依存性は約1Kでブロードなピーク($$approx$$ 0.036$${it J}$$$$_{1}$$)を示し、スピンギャップの存在が示唆された。

論文

Dimensional reduction by geometrical frustration in a cubic antiferromagnet composed of tetrahedral clusters

大熊 隆太郎*; 古府 麻衣子; 浅井 晋一郎*; Avdeev, M.*; 幸田 章宏*; 岡部 博孝*; 平石 雅俊*; 竹下 聡史*; 小嶋 健児*; 門野 良典*; et al.

Nature Communications (Internet), 12, p.4382_1 - 4382_7, 2021/07

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24636-1
 被引用回数：6 パーセンタイル：61.42(Multidisciplinary Sciences)

Dimensionality is a critical factor in determining the properties of solids and is an apparent built- in character of the crystal structure. However, it can be an emergent and tunable property in geometrically frustrated spin systems. Here, we study the spin dynamics of the tetrahedral cluster antiferromagnet, pharmacosiderite, via muon spin resonance and neutron scattering. We find that the spin correlation exhibits a two-dimensional characteristic despite the isotropic connectivity of tetrahedral clusters made of spin 5/2 Fe$$^{3+}$$ ions in the three-dimensional cubic crystal, which we ascribe to two-dimensionalisation by geometrical frustration based on spin wave calculations. Moreover, we suggest that even one-dimensionalisation occurs in the decoupled layers, generating low-energy and one-dimensional excitation modes, causing large spin fluctuation in the classical spin system.

論文

Gapless spin liquid in a square-kagome lattice antiferromagnet

藤原 理賀*; 森田 克洋*; Mole, R.*; 満田 節生*; 遠山 貴巳*; 矢野 真一郎*; Yu, D.*; 曽田 繁利*; 桑井 智彦*; 幸田 章宏*; et al.

Nature Communications (Internet), 11, p.3429_1 - 3429_7, 2020/07

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17235-z
 被引用回数：37 パーセンタイル：90.63(Multidisciplinary Sciences)

Observation of a quantum spin liquid (QSL) state is one of the most important goals in condensed-matter physics, as well as the development of new spintronic devices that support next-generation industries. The QSL in two-dimensional quantum spin systems is expected to be due to geometrical magnetic frustration, and thus a kagome-based lattice is the most probable playground for QSL. Here, we report the first experimental results of the QSL state on a square-kagome quantum antiferromagnet, KCu$$_6$$AlBiO$$_4$$(SO$$_4$$)$$_5$$Cl. Comprehensive experimental studies via magnetic susceptibility, magnetisation, heat capacity, muon spin relaxation, and inelastic neutron scattering measurements reveal the formation of a gapless QSL at very low temperatures close to the ground state. The QSL behavior cannot be explained fully by a frustrated Heisenberg model with nearest-neighbor exchange interactions, providing a theoretical challenge to unveil the nature of the QSL state.

論文

Quantum magnetisms in uniform triangular lattices Li$$_{2}$$$$A$$Mo$$_{3}$$O$$_{8}$$ ($$A$$ = In, Sc)

飯田 一樹*; 吉田 紘行*; 岡部 博孝*; 片山 尚幸*; 石井 裕人*; 幸田 章宏*; 稲村 泰弘; 村井 直樹; 石角 元志*; 門野 良典*; et al.

Scientific Reports (Internet), 9(1), p.1826_1 - 1826_9, 2019/02

https://doi.org/10.1038/s41598-018-36123-7
 被引用回数：9 パーセンタイル：59.53(Multidisciplinary Sciences)

Molecular based spin-1/2 triangular lattice systems have attracted research interest. Li$$_2$$$$A$$Mo$$_3$$O$$_8$$ ($$A$$ = In or Sc) is such a compound where spin-1/2 Mo$$_3$$O$$_{13}$$ clusters in place of Mo ions form the uniform triangular lattice. Here, we report exotic magnetisms in Li$$_2$$InMo$$_3$$O$$_8$$ and Li$$_2$$ScMo$$_3$$O$$_8$$ investigated by muon spin rotation ($$mu$$SR) and inelastic neutron scattering (INS) spectroscopies. Li$$_2$$InMo$$_3$$O$$_8$$ exhibits spin wave excitation which is quantitatively described by the nearest neighbor anisotropic Heisenberg model based on the 120$$^{circ}$$ spin structure. In contrast, Li$$_2$$ScMo$$_3$$O$$_8$$ undergoes short-range magnetic order below 4 K with quantum-spin-liquid-like magnetic fluctuations down to the base temperature. Origin of the different ground states is discussed in terms of anisotropies of crystal structures and magnetic interactions.

口頭

チェッカーボード格子反強磁性体KCuPO$$_4$$H$$_2$$Oの磁性

藤原 理賀; 森田 克洋*; 満田 節生*; 岡部 博孝*; 幸田 章宏*; 村井 直樹; 萩原 雅人

no journal, , 

チェッカーボード格子反強磁性体の初のモデル物質の候補としてKCuPO$$_4$$H$$_2$$Oを見出し、その磁性を調査している。帯磁率温度依存性は100K付近で低次元系特有のブロードピークを示し、$$T_{rm{N}}$$=10.5Kでは長距離磁気秩序の形成示唆する鋭いピークを示す。磁気励起スペクトルを見ると、$$T_{rm{N}}$$以上ではギャップレスなスピノン励起が、$$T_{rm{N}}$$以下では、1meV程度の大きなギャップが観測されている。これらの実験結果を再現可能な有効スピン模型に関しても調査している。

口頭

菱形格子反強磁性体KCoPO$$_4$$H$$_2$$Oの磁性

藤原 理賀; 萩原 雅人; 岡部 博孝*; 中村 惇平*; 幸田 章宏*; 松尾 晶*; 金道 浩一*; 宗像 孝司*; 石角 元志*

no journal, , 

ユニークな格子を持つ二次元磁性体では新奇量子状態の観測が期待できる。KCoPO$$_4$$H$$_2$$Oは、Co-O-Coを介した最近接相互作用$$J_{rm{1}}$$と、Co-PO$$_4$$-Coを介した次近接相互作用$$J_{rm{2}}$$, $$J_{rm{3}}$$が存在し、菱形格子を形成している。Co$$^{2+}$$周りの酸素は八面体配位を形成しているため、本物質は「擬スピンS=1/2菱形格子磁性体」のモデル物質として期待できる。比熱測定の結果、$$T_{rm{m}}$$$$sim$$3Kでブロードピークが観測され、$$T_{rm{N}}$$=2.8Kで長距離磁気秩序を形成することが判明した。解放された磁気エントロピーは$$S$$=1/2に対応する$$R$$ln2である。2T以上の磁場中では鋭いピークは消失し、磁場誘起無秩序状態への転移の可能性を示している。$$T$$=0.9Kでの粉末中性子回折実験の結果、$$ac$$面内に磁気モーメントを持ち、$$a$$軸方向に0.74$$a$$周期の磁気秩序を形成することがわかった。擬スピンに働く有効交換相互作用は、CoO$$_6$$八面体の歪みにより異方的であることが予想される。この磁気構造から、$$XY$$的な異方性を有する可能性が高い。

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