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論文

Spin gap in the weakly interacting quantum spin chain antiferromagnet KCuPO $_{4}$ 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)

= 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 $_{4}$ 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。また鎖内相互作用と鎖間相互作用の大きさはそれぞれ172Kと4.25(4) Kと見積もられ、/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 = 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 $_{4}$ 5H $_{2}$ O as a model antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg $_{1}$ - $_{2}$ 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)

= 1/2ハイゼンベルグ $_{1}$ - $_{2}$ 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 $_{4}$ 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,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 $_{1}$ - $_{2}$ 反強磁性鎖のモデル化合物であり、鎖内相互作用 $_{1}$ 、 $_{2}$ 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。 $_{2}$ の大きさは $_{1}$ の大きさの23倍であるため、スピンギャップは $_{1}$ 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( 0.036 $_{1}$ )を示し、スピンギャップの存在が示唆された。

論文

Breakdown of linear spin-wave theory and existence of spinon bound states in the frustrated kagome-lattice antiferromagnet

Mattan, K.*; 小野俊雄*; 河村聖子; 中島健次; 南部雄亮*; 佐藤卓*

Physical Review B, 105(13), p.134403_1 - 134403_8, 2022/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.134403

被引用回数：3 パーセンタイル：48.5(Materials Science, Multidisciplinary)

スピン1/2のカゴメ格子反強磁性体Cs $_{2}$ Cu $_{3}$ SnF $_{12}$ の磁気励起について、高分解能飛行時間法中性子非弾性散乱実験によって調べた。フラストレートしたカゴメ格子反強磁性体に特徴的な平坦なモードや低エネルギー側の強い分散を持つモードは線形スピン波理論で記述できる。しかし、一方で、9-14meVの領域にある分散を持つ強度の弱い3つのモードについてはそれが破綻する。この3つのモードについては、ゾーン中心から離れるか温度を上げるかすると自由スピノンに崩壊して連続励起になる2スピノン束縛状態と思われる。

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.L020408

被引用回数：3 パーセンタイル：48.5(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

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, KCuAlBiO(SO)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

=0 long-range magnetic order in centennialite CaCu $_{3}$ (OD) $_{6}$ Cl $_{2}$ 0.6D $_{2}$ O; A Spin- $frac{1}{2}$ perfect kagome antiferromagnet with $J_{1}$ - $J_{2}$ - $J_{d}$

飯田一樹*; 吉田紘行*; 中尾朗子*; Jeschke, H. O.*; Iqbal, Y.*; 中島健次; 河村聖子; 宗像孝司*; 稲村泰弘; 村井直樹; et al.

Physical Review B, 101(22), p.220408_1 - 220408_6, 2020/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.220408

被引用回数：22 パーセンタイル：80.38(Materials Science, Multidisciplinary)

鉱物センテニアライトCaCu $_{3}$ (OD) $_{6}$ Cl $_{2}$ 0.6D $_{2}$ Oの結晶構造と磁気構造をシンクロトロンX線回折と中性子回折測定に密度汎関数理論(DFT)と疑似フェルミオン汎関数繰り込み群(PFFRG)の計算を組み合わせることで調べた。CaCu $_{3}$ (OD) $_{6}$ Cl $_{2}$ 0.6D $_{2}$ OではCu $^{2+}$ イオンは反強磁性 $J_{1}$ と幾何学的に完全なカゴメネットワークを形成する。Cu $^{2+}$ とCa $^{2+}$ イオン間のサイト間無秩序は見つからなかった。CaCu $_{3}$ (OD) $_{6}$ Cl $_{2}$ 0.6D $_{2}$ Oは $_{rm N}$ =7.2K以下で磁気秩序を示し、負のベクトルスピンキラリティーを持つ=0の磁気構造が現れる。0.3Kでの秩序モーメントは0.58(2)Bに抑えられている。我々のDFT計算では、この系が量子臨界点の近くにあり、 $J_{1}$ - $J_{2}$ - $J_{d}$ カゴメ反強磁性体の優れた実現であることを示唆している。

論文

Magnetic-field and composition tuned antiferromagnetic instability in the quantum spin-liquid candidate NaYbO

Guo, J.*; Zhao, X.*; 河村聖子; Ling, L.*; Wang, J.*; He, L.*; 中島健次; Li, B.*; Zhang, Z.*

Physical Review Materials (Internet), 4(6), p.064410_1 - 064410_7, 2020/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.064410

被引用回数：10 パーセンタイル：48.03(Materials Science, Multidisciplinary)

NaYbO has been reported as a possible host for the quantum spin-liquid state. Here, the composition-dependent polycrystalline Na $_{1-x}$ YbO (, 0.03, and 0.07) has been investigated by combining high-field magnetizations and inelastic neutron scattering techniques. For the sample, no signature of a magnetic order is observed down to 0.3 K. Inelastic neutron scattering measurement suggests a continuous low-energy excitation spectrum centered at momentum transfer ~ $AA$^{-1}$$ and extending up to energy transfer ~meV. In contrast, and 0.07 samples exhibit magnetic transitions at 1.1 and 2.3 K, respectively. High-field magnetization measurements indicate similar behaviors for and 0.03 samples including plateau-like features at the 1/3 saturated magnetization, which implies that the spin disorder in the sample might be suppressed preceding the emergence of the up-up-down phase. This composition- and field-dependent study allows us to construct complete phase diagrams indicating that NaYbO is a promising candidate for the quantum spin-liquid state in close proximity to the antiferromagnetic instability tuned by the application of magnetic fields as well as controlling the concentration of Na ion vacancies.

論文

Multiple magnetic bilayers and unconventional criticality without frustration in BaCuSiO

Allenspach, S.*; Biffin, A.*; Stuhr, U.*; Tucker, G. S.*; 河村聖子; 古府麻衣子; Voneshen, D. J.*; Boehm, M.*; Normand, B.*; Laflorencie, N.*; et al.

Physical Review Letters, 124(17), p.177205_1 - 177205_7, 2020/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.177205

被引用回数：10 パーセンタイル：65.11(Physics, Multidisciplinary)

The dimerized quantum magnet BaCuSiO was proposed as an example of "dimensional reduction" arising near the magnetic-field-induced quantum critical point (QCP) due to perfect geometrical frustration of its interbilayer interactions. We demonstrate by high-resolution neutron spectroscopy experiments that the effective intrabilayer interactions are ferromagnetic, thereby excluding frustration. We explain the apparent dimensional reduction by establishing the presence of three magnetically inequivalent bilayers, with ratios , whose differing interaction parameters create an extra field-temperature scaling regime near the QCP with a nontrivial but nonuniversal exponent. We demonstrate by detailed quantum Monte Carlo simulations that the magnetic interaction parameters we deduce can account for all the measured properties of BaCuSiO, opening the way to a quantitative understanding of nonuniversal scaling in any modulated layered system.

論文

Dynamical spin-to-charge conversion on the edge of quantum spin Hall insulator

荒木康史; 三澤貴宏*; 野村健太郎*

Physical Review Research (Internet), 2(2), p.023195_1 - 023195_11, 2020/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.023195

We theoretically manifest that the edge of a quantum spin Hall insulator (QSHI), attached to an insulating ferromagnet (FM), can realize a highly efficient spin-to-charge conversion. Based on a one-dimensional QSHI-FM junction, the electron dynamics on the QSHI edge is analyzed, driven by a magnetization dynamics in the FM. Under a large gap opening on the edge from the magnetic exchange coupling, we find that the spin injection into the QSHI edge gets suppressed while the charge current driven on the edge gets maximized, demanded by the band topology of the one-dimensional helical edge states.

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.027206

被引用回数：4 パーセンタイル：36.66(Physics, Multidisciplinary)

Magnetic excitations of the effective spin =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 -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

Spin correlations of quantum spin liquid and quadrupole-ordered states of Tb $_{2+x}$ Ti $_{2-x}$ O $_{7+y}$

門脇広明*; 脇田美香*; Fk, B.*; Ollivier, J.*; 河村聖子; 中島健次; Lynn, J. W.*

Physical Review B, 99(1), p.014406_1 - 014406_12, 2019/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.014406

被引用回数：9 パーセンタイル：46.05(Materials Science, Multidisciplinary)

非弾性中性子散乱を用いてフラストレーションのあるパイロクロア酸化物Tb $_{2+x}$ Ti $_{2-x}$ O $_{7+y}$ (x = -0.007, 0.000, and 0.003)単結晶試料の磁気相関を測定した。この系は、量子スピン液体と四重極秩序状態を示すものである。実験結果とRPAを使った解析結果を議論する。量子スピン液体状態では対称性の破れが生じており、古典的なRPAの範囲を超えた議論が必要なことが示唆される。

論文

Magnetic properties of one-dimensional quantum spin system RbCuMoO $_{12}$ 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

https://doi.org/10.7566/JPSCP.21.011007

RbCuMoO $_{12}$ 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0.06K250K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

Interaction of spin-orbital-lattice degrees of freedom; Vibronic state of the corner-sharing-tetrahedral frustrated spin system HoBaFe $_{4}$ O $_{7}$ by dynamical Jahn-Teller effect

蒲沢和也*; 石角元志*; 河村聖子; 川北至信; 加倉井和久*; 中島健次; 佐藤正俊*

Physical Review B, 95(10), p.104413_1 - 104413_7, 2017/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.104413

被引用回数：2 パーセンタイル：11.52(Materials Science, Multidisciplinary)

A powder inelastic neutron-scattering study of HoBaFe $_{4}$ O $_{7}$ (HBFO) revealed characteristic magnetic excitations associated with geometrical spin frustration. Dispersionless excitations in energy () and wave-vector () space are observed at several discrete energies. Some of them can be attributed to crystal-field excitations of Ho $^{3+}$ in octahedral symmetry, but the others are explained instead by the vibronic state of the Fe $^{2+}$ dynamical Jahn-Teller effect with orbit-spin coupling, indicating interaction among the spin, the orbital, and the lattice degree of freedom. The antiferromagnetic HBFO lattice has cubic symmetry, and both Fe $^{2+}$ and Fe $^{3+}$ reside on corner-sharing tetrahedra with a number ratio of 3:1. Even though Fe $^{2+}$ is a Jahn-Teller active ion in tetrahedral symmetry, the system does not exhibit any static lattice distortion to the lowest temperature studied (4 K). The observed excitations can be understood by considering the dynamical interaction among spin-orbital-lattice degrees of freedom, indicating that spin fluctuation due to the frustration effect induces the dynamical Jahn-Teller effect, although in most cases a Jahn-Teller active ion Fe $^{2+}$ takes the static Jahn-Teller effect in a magnetic oxide system.

論文

Ground-state phase diagram of an anisotropic S=1/2 ladder with alternating rung interactions

利根川孝*; 岡本清美*; 引原俊哉*; 坂井徹

Journal of Physics; Conference Series, 683(1), p.012039_1 - 012039_7, 2016/02

https://doi.org/10.1088/1742-6596/683/1/012039

被引用回数：2 パーセンタイル：69.93(Materials Science, Multidisciplinary)

主として数値的解析法を用いて、空間的に一様で等方的な鎖方向相互作用と、交代してイジング異方性のある桁方向相互作用を持つ、異方的なS=1/2スピンラダーの基底状態相図について研究し、いくつかの典型的な場合の基底状態相図を決定した。

論文

Effect of monomer-monomer interactions on the phase diagrams of the S=1/2 distorted diamond type quantum spin chain

岡本清美*; 利根川孝*; 坂井徹

Journal of Physics; Conference Series, 683(1), p.012038_1 - 012038_6, 2016/02

https://doi.org/10.1088/1742-6596/683/1/012038

被引用回数：2 パーセンタイル：69.93(Materials Science, Multidisciplinary)

主として数値対角化とレベルスペクトロスコピー法を用いて、モノマー間相互作用と強磁性相互作用のあるS=1/2ダイアモンド・タイプのスピン鎖の基底状態相図について研究した。その結果、強磁性相互作用が強い場合には3分の1磁化プラトーが消失するこが判明した。

論文

Magnetization process of the spin-S kagome-lattice Heisenberg antiferromagnet

中野博生*; 坂井徹

Journal of the Physical Society of Japan, 84(6), p.063705_1 - 063705_5, 2015/06

https://doi.org/10.7566/JPSJ.84.063705

被引用回数：28 パーセンタイル：80.64(Physics, Multidisciplinary)

カゴメ格子上のスピンSハイゼンベルグ反強磁性体の磁化過程について数値対角化により研究した。S=1, 3/2, 2, 5/2の有限サイズクラスターの数値対角化による結果は、Sによらず3分の1磁化プラトーが現れることを示している。また、磁化プラトーの臨界磁場とプラトー幅のS依存性について解析し、最近の摂動論の結果と比較した。

論文

Neutron scattering investigation on quantum spin system SrCu $_{2}$ (BO $_{3}$ ) $_{2}$

加倉井和久; 温井克行*; 阿曽尚文*; 西正和*; 門脇広明*; 陰山洋*; 上田寛*; Regnault, L.-P.*; Cpas, O.*

Progress of Theoretical Physics Supplement, (159), p.22 - 32, 2005/10

二次元S=1/2Shastry-Sutherland系SrCu $_{2}$ (BO $_{3}$ ) $_{2}$ の熱中性子及び冷中性子散乱実験のレビュー。中性子散乱による3meVのギャップを持つ第一励起、4から7meVのエネルギー領域で2トリプレット束縛励起状態、13meVまでの高次束縛励起状態の観測により、直交ダイマー系特有な励起状態を明らかにした。

論文

High energy-resolution inelastic neutron scattering experiments on triplet bound state excitations in SrCu $_{2}$ (BO $_{3}$ ) $_{2}$

阿曽尚文*; 陰山洋*; 温井克行*; 西正和*; 門脇広明*; 上田寛*; 加倉井和久

Journal of the Physical Society of Japan, 74(8), p.2189 - 2192, 2005/08

https://doi.org/10.1143/JPSJ.74.2189

被引用回数：8 パーセンタイル：48.31(Physics, Multidisciplinary)

二次元S=1/2Shastry-Sutherland系SrCu $_{2}$ (BO $_{3}$ ) $_{2}$ において4から7meVのエネルギー遷移領域でトリプレット束縛励起の波数依存性を高エネルギー分解能冷中性子非弾性散乱実験で初めて観測した。この直交ダイマー系ではこのエネルギー領域に分散のない2トリプレット束縛励起状態が数多く存在することが明らかになった。

論文

Frustrating interactions and broadened magnetic excitations in the edge-sharing CuO $_{2}$ chains in La $_{5}$ Ca $_{9}$ Cu $_{24}$ O $_{41}$

松田雅昌; 加倉井和久; Lorenzo, J. E.*; Regnault, L. P.*; Hiess, A.*; 白根元*

Physical Review B, 68(6), p.060406_1 - 060406_4, 2003/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.060406

被引用回数：21 パーセンタイル：68.23(Materials Science, Multidisciplinary)

量子磁性体La $_{5}$ Ca $_{9}$ Cu $_{24}$ O $_{41}$ の中性子非弾性散乱実験を行った。この物質はCuO $_{2}$ スピン鎖を有し、低温で反強磁性秩序(鎖内は強磁性的)を示す。結晶構造と磁気構造からは、相互作用は単純であると予想されるが、磁気励起の実験結果、まず一軸性の磁気異方性が大きいことがわかった。また、CuO $_{2}$ スピン鎖の鎖内,鎖間ともに相互作用は弱く(10K以下)、特に鎖内では相互作用が反強磁性的であり、さらに鎖内と鎖間の相互作用にはフラストレーションが働いていることがわかった。磁気励起の特徴として線幅が大きく広がっていることが挙げられるが、この原因としてフラストレーションと少量のホールによる無秩序化の効果が考えられる。このように、CuO $_{2}$ スピン鎖は磁気異方性とフラストレーションに由来した興味深い磁気的性質を示すことがわかった。

論文

Polarized neutron scattering study of the CuO $_{2}$ chains in Ca $_{2}$ Y $_{2}$ Cu $_{5}$ O $_{10}$

松田雅昌; 中村充孝; 武田全康*; 加倉井和久; 山口博隆*; 伊藤利充*; 岡邦彦*

Physica B; Condensed Matter, 329-333(1-4), p.711 - 712, 2003/05

https://doi.org/10.1016/S0921-4526(02)02020-3

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

Ca $_{2}$ Y $_{2}$ Cu $_{5}$ O $_{10}$ は辺共有CuO $_{2}$ 鎖を有する物質であり、低温において反強磁性相転移を示す。磁気構造は鎖内で強磁性的,鎖間で反強磁性的である。これまでの非偏極中性子回折実験による強度解析からは、磁気モーメントが単純にCu位置に局在してCuO $_{2}$ 面に垂直方向(b面)を向いているのではく、O位置にもモーメントが存在することが示唆されていた。しかし、モーメントの方向が決まらないと磁気構造を確定することは困難であった。今回、偏極中性子回折実験を行い、この化合物の磁気構造を詳細に調べ、磁気モーメントの方向がb軸であることを決定した。その結果、モーメントがO位置に拡がった存在することが明らかになった。これは、強磁性CuO $_{2}$ 鎖におけるCuとOの強い電子軌道混成によるものである。