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論文

Emergent spin-1 Haldane gap and ferroelectricity in a frustrated spin-$$frac{1}{2}$$ ladder

上田 宏*; 小野田 繁樹*; 山口 泰弘*; 木村 剛*; 吉澤 大智*; 森岡 俊晶*; 萩原 政幸*; 萩原 雅人*; 左右田 稔*; 益田 隆嗣*; et al.

Physical Review B, 101(14), p.140408_1 - 140408_6, 2020/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:44.66(Materials Science, Multidisciplinary)

We report experimental and theoretical evidence that Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$ has a nonmagnetic tetramer ground state of a two-leg ladder comprising antiferromagnetically coupled frustrated spin-$$frac{1}{2}$$ chains and exhibits a Haldane spin gap of emergent spin-1 pairs. Three spin excitations split from the spin-1 triplet by a Dzyaloshinskii-Moriya interaction are identified in inelastic neutron-scattering and electron spin resonance spectra. A tiny magnetic field generates ferroelectricity without closing the spin gap, indicating a unique class of ferroelectricity induced by a vector spin chirality order.

論文

Quantum paramagnet near spin-state transition

富安 啓輔*; 伊藤 菜緒子*; 岡崎 竜二*; 高橋 佑生*; 小野寺 貢*; 岩佐 和晃*; 野島 勉*; 青山 拓也*; 大串 研也*; 石川 喜久*; et al.

Advanced Quantum Technologies (Internet), 1(3), p.1800057_1 - 1800057_7, 2018/12

スピンクロスオーバーとしても知られるスピン状態転移は、様々な物質において重要な役割をもつ。理論的に、低スピンと高スピン状態の境界近傍では、従来とは異なる物理状態を引き起こすと予想されている。しかしながら、外場を印加せずに、基底状態としてほぼ縮退した臨界の状態を実現する系は、いまだに実験的には確認されていない。本研究は、LaCoO$$_{3}$$へのSc置換が、非磁性の低スピン状態を不安定化させ、トランスポートギャップのエンハンスメントと磁気格子膨張、Co-O距離の縮みを伴う異常な常磁性状態を生み出すことを明らかにした。これらの現象は、通常の低スピン・高スピン状態の混合状態ではよく説明できず、スピン状態転移の境界で生じる量子重ね合わせで記述することができる。

論文

Magnetic properties of one-dimensional quantum spin system Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$ studied by muon spin relaxation

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

JPS Conference Proceedings (Internet), 21, p.011007_1 - 011007_5, 2018/03

Rb$$_2$$Cu$$_2$$Mo$$_3$$O$$_{12}$$は、スピンフラストレートしたS=1/2ジグザグ鎖をもつ量子スピン系である。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、理論研究から予想されている。また最近では、磁場中でこの系が強誘電性を示すことも報告されている。我々は、この系の磁気的性質を調べるため、ミュオンスピン緩和法を用いた実験を行った。測定した温度領域0.06K$$sim$$250Kにわたり、核双極子場による遅いミュオンスピン緩和が観測された。この結果は、この系の基底状態が非磁性であることを明確に示している。さらに、内部磁場の分布が、10K以下でわずかに増加していることがわかった。この温度変化は、磁場中の電気分極の振る舞いに似ていることから、局所的な磁気状態の変化あるいは分極が、零磁場中でも生じている可能性を示唆している。

論文

Magnetic properties of electron-doped LaCoO$$_3$$

富安 啓輔*; 佐藤 美嘉*; 小山 俊一*; 野島 勉*; 梶本 亮一; Ji, S.*; 岩佐 和晃*

Journal of the Physical Society of Japan, 86(9), p.094706_1 - 094706_6, 2017/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Multidisciplinary)

We studied electron-doped LaCo$$_{1-y}$$Te$$^{6+}_{y}$$O$$_{3}$$ by magnetization measurements and neutron scattering. The effective Bohr magneton, estimated in the Curie-Weiss fitting around room temperature, is independent of $$y$$. This suggests that magnetic Co$$^{3+mathrm{(HS)}}$$, not nonmagnetic Co$$^{3+mathrm{(LS)}}$$, is mainly replaced by doped magnetic Co$$^{2+mathrm{(HS)}}$$. At the lowest temperatures, a Brillouin-function-like saturating behavior persists in the magnetization curves even in the high-$$y$$ samples, and neither clear magnetic reflection nor magnetic dispersion is observed by neutron scattering. These indicate that magnetic correlation is very weak in contrast to the well-known hole-doped LaCoO$$_3$$ accompanied with the transition to ferromagnetic metal. However, we also found that the low-$$y$$ samples exhibit nonnegligible enhancement in saturated magnetization by $$sim$$2 $$mu_B$$/doped-electron. All these characteristics are discussed in the light of activation and inactivation of spin-state blockade.

論文

Observation of all-in type tetrahedral displacements in nonmagnetic pyrochlore niobates

鳥越 秀平*; 石本 祐太朗*; 青石 優平*; 村川 寛*; 松村 大樹; 吉井 賢資; 米田 安宏; 西畑 保雄; 樹神 克明; 富安 啓輔*; et al.

Physical Review B, 93(8), p.085109_1 - 085109_5, 2016/02

 被引用回数:4 パーセンタイル:26.78(Materials Science, Multidisciplinary)

We observed all-in type Nb tetrahedral displacement in nonmagnetic pyrochlore niobates A$$_{2}$$Nb$$_{2}$$O$$_{7}$$ (A = Nd$$_{0.5}$$Ca$$_{0.5}$$ and Y$$_{0.5}$$Ca$$_{0.5}$$) through the analysis of the neutron pair distribution function and the extended X-ray absorption function spectroscopy. The all-in type Nb tetrahedral displacement, which has the character of a charge singlet state, is driven by the formation of the bonding orbital. The diffuse scattering in the X-ray diffraction, which has the resonant component in the Nb $$L$$3 edge, indicates that the all-in type Nb tetrahedral displacement has the periodicity with its short-range correlation.

論文

Development of spin correlations in the geometrically frustrated triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet CuCrO$$_2$$

梶本 亮一; 富安 啓輔*; 中島 健次; 河村 聖子; 稲村 泰弘; 奥田 哲治*

Journal of the Physical Society of Japan, 84(7), p.074708_1 - 074708_6, 2015/07

 被引用回数:8 パーセンタイル:58.5(Physics, Multidisciplinary)

Magnetic excitations in the triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet CuCrO$$_{2}$$ were studied using single-crystal inelastic neutron scattering. A diffusive quasielastic component that persisted without developing a correlation length over a wide temperature range both below and above the ordering temperature was observed. Furthermore, characteristic momentum dependence was observed that was reproduced using minimum spin clusters. The robust spin clusters contrast with conventional magnetic ordering and may be universal in triangular-lattice Heisenberg antiferromagnets.

論文

Spin-orbit fluctuations in frustrated heavy-fermion metal LiV$$_{2}$$O$$_{4}$$

富安 啓輔*; 岩佐 和晃*; 植田 浩明*; 新高 誠司*; 高木 英典*; 河村 聖子; 菊地 龍弥; 稲村 泰弘; 中島 健次; 山田 和芳*

Physical Review Letters, 113(23), p.236402_1 - 236402_5, 2014/12

 被引用回数:13 パーセンタイル:68.3(Physics, Multidisciplinary)

フラストレーションを持つ重い電子系${it d}$電子金属LiV$$_{2}$$O$$_{4}$$について、飛行時間法による中性子非弾性実験にて、広い運動量とエネルギーの空間に渡ってスピン揺らぎを調べた。${it Q-E}$空間において、${it Q}$=0.6$AA $^{-1}$$を特徴的な値としたピークと2.4$AA $^{-1}$$の周りの広いピークの変化を捉えた。電子の一部が揺らいでいるとした磁気形状因子を用い、短距離反強磁性相関を取り入れた単純な関数でそれらの変化を記述することができ、これは、重い電子系が軌道が結合したスピン-軌道揺らぎにより引き起こされることを示唆している。

論文

Low-energy spin fluctuations in CuCrO$$_{2}$$ and Cu$$_{0.85}$$Ag$$_{0.15}$$CrO$$_{2}$$ studied by inelastic neutron scattering

梶本 亮一; 中島 健次; 河村 聖子; 稲村 泰弘; 奥田 哲治*; 富安 啓輔*

JPS Conference Proceedings (Internet), 3, p.014018_1 - 014018_5, 2014/06

Two-dimensional triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet (TLHA) is one of the simplest examples of the geometrical frustration, where nontrivial spin states are expected due to the frustration. CuCrO$$_{2}$$ is one of the TLHAs where the $$S$$ = 3/2 spins of Cr$$^{3+}$$ ions form the triangular-lattice. The spins show a three-dimensional ordering with a proper screw structure below $$T_N$$ = 24 K. To find nontrivial spin fluctuations in addition to the conventional spin wave, we have studied the magnetic excitations by inelastic neutron scattering using the chopper spectrometer AMATERAS at J-PARC. We found that the excitation spectrum shows an additional diffusive quasielastic component at temperatures ($$T$$'s) slightly below $$T_N$$ and $$T > T_N$$. This diffuse scattering shows the different $$T$$ dependence from that of the spin wave excitations, as well as a characteristic $$Q$$ dependence. We argue the origin of the diffuse scattering in terms of the $$Z_2$$-vortex and spin molecules.

論文

Magnetic excitations in infinite-layer antiferromagnetic insulator

富安 啓輔*; 陰山 洋*; Lee, C.*; Whangbo, M. H.*; 辻本 吉廣*; 吉村 一良*; Taylor, J. W.*; Llobet, A.*; Trouw, F.*; 加倉井 和久; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 79(3), p.034707_1 - 034707_4, 2010/03

 被引用回数:15 パーセンタイル:67.1(Physics, Multidisciplinary)

The magnetic excitations of an infinite-layer antiferromagnetic insulator SrFeO$$_{2}$$ were examined by powder inelastic neutron scattering to find dispersive magnetic excitations from 15meV up to 63 meV. The scattering intensity distribution is well described by a spin wave model, confirming that the out-of-plane direct Fe...Fe exchange is comparable in strength to the in-palne Fe-O-Fe superexchange. SrFeO$$_{2}$$ shows an additional magnetic excitation mode around 30meV, which is suggestive of an orbital magnon arising from small orbital moment on Fe$$^{2+}$$ brought about by spin-orbit coupling.

論文

Magnetic structure of CoO studied by neutron and synchrotron X-ray diffraction

富安 啓輔*; 稲見 俊哉; 池田 直*

Physical Review B, 70(11), p.184411_1 - 184411_6, 2004/11

 被引用回数:40 パーセンタイル:83.1(Materials Science, Multidisciplinary)

289K以下でCoOは三回軸に平行な伝播ベクトルで表される長距離磁気秩序を示す。しかしながら格子は四回軸と三回軸の混ざった単斜晶にひずむ。この矛盾を明らかにするためにわれわれは中性子回折実験と放射光X線回折実験を単結晶CoOに対して行い、新しい四回軸に平行な伝播ベクトルで表される一連の磁気反射を転移点以下で見いだした。この結果は正方晶と三方晶の伝播ベクトルを持ったCoOの新しい磁気構造を提案するもので、これは単斜晶の対称性を持ち、格子のひずみとも一致する。

口頭

無限枚層鉄酸化物SrFeO$$_{2}$$の粉末中性子非弾性散乱による磁気励起の研究

富安 啓輔*; 陰山 洋*; 辻本 吉廣*; 吉村 一良*; Taylor, J. W.*; Llobet, A.*; 加倉井 和久; 山田 和芳*

no journal, , 

無限枚層鉄酸化物SrFeO$$_{2}$$の磁気励起の測定を粉末中性子非弾性散乱により行った。その結果分散を持つ磁気励起を15meVから63meVのエネルギー遷移領域で観測した。この散乱強度分布はこのスピン系の3次元性を表しており、スピン波モデルフィッティングにより面間の磁気相互作用が面内のそれの半分以上もあることを明らかにした。

口頭

Polarised neutron spectrometer, POLANO, at J-PARC attempts at understanding novel magnetism

大山 研司*; 横尾 哲也*; 伊藤 晋一*; 鈴木 純一*; 岩佐 和晃*; 佐藤 卓*; 吉良 弘*; 坂口 佳史*; 猪野 隆*; 奥 隆之; et al.

no journal, , 

We aim at constructing a polarisation analysis neutron spectrometer at Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) based on a collaboration of KEK and Tohoku Univ. The proposed instrument, named POLANO, is designed as a compact chopper spectrometer with a rotary detector bank ($$L_{1}$$ = 17.5 m, $$L_{2}$$ = 2.5 m). At the first phase of the project, we will concentrate the $$E_{i} < $$ 30 meV region using a fan type bender supermirror spin analyser because rich scientific targets in basic and application materials science exist in this region. In the second phase, we will try to install a $$^{3}$$He spin filter analyser for the $$E_{f} >$$ 100 meV region. This project passed in the final board of J-PARC on SEP-2011, and the construction has been authorized already.

口頭

三角格子反強磁性体CuCrO$$_{2}$$における磁気散漫散乱

梶本 亮一; 中島 健次; 河村 聖子; 稲村 泰弘; 奥田 哲治*; 富安 啓輔*

no journal, , 

二次元三角格子ハイゼンベルク反強磁性体(TLHA)は幾何学的フラストレーション系の典型例の一つであり、フラストレーションの効果によって非自明なスピン状態の出現が期待される。CuCrO$$_2$$はTLHAの一種であり、Cr$$^{3+}$$イオンのスピン($$S=3/2$$)が三角格子を形成する。スピンは反強磁性転移温度$$T_N$$=24K以下でほぼ120$$^{circ}$$構造のプロパースクリュー構造を形成する。反強磁性秩序相ではこれまで中性子非弾性散乱実験により古典的なスピン波励起の観測が報告されている。今回、我々は、通常のスピン波励起とは異なる磁気励起がないか探るため、J-PARCの中性子非弾性散乱装置AMATERASを用いて、CuCrO$$_2$$の単結晶試料に対する中性子非弾性散乱実験を行った。その結果、$$T_N$$のやや低温から$$T_N$$より100K程度上の温度にわたり、運動量空間において、特徴的な強度分布を示す散漫散乱の存在を見いだした。本講演では、この散漫散乱の起源について、$$Z_2$$ vortexやスピン分子モデルを元に議論する。

口頭

三角格子反強磁性体CuCrO$$_2$$における低エネルギースピン揺らぎ

梶本 亮一; 中島 健次; 河村 聖子; 稲村 泰弘; 富安 啓輔*; 奥田 哲治*

no journal, , 

CuCrO$$_{2}$$は二次元三角格子ハイゼンベルク反強磁性体(TLHA)の一種であり、Cr$$^{3+}$$イオンのスピン($$S$$=3/2)が三角格子を形成する。スピンは反強磁性転移温度$$T_N$$=24K以下でほぼ120$$^{circ}$$構造のプロパースクリュー構造を形成する。最近、三角格子スピン面間に位置するCu$$^+$$イオンをAg$$^+$$イオンで置換することで、スピン揺らぎの二次元性が促進されると同時にスピン波とは異なる低エネルギー揺らぎが生じることが磁気比熱の研究によって報告された。我々はこの低エネルギースピン揺らぎの起源を調べるため、CuCrO$$_2$$とCu$$_{0.85}$$Ag$$_{0.15}$$CrO$$_{2}$$の粉末試料およびCuCrO$$_{2}$$の単結晶試料に対して、J-PARCのチョッパー分光器・アマテラスを用いて非弾性中性子散乱実験を行った。その結果、磁気比熱で観測されたスピン揺らぎと対応すると考えられる$$Q$$空間で特徴的な分布を示す散漫散乱を見出した。本講演では、この散漫散乱の温度変化等の詳細を示し、その起源について議論する。

口頭

$$mu$$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

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

no journal, , 

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。

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