遷移金属化合物におけるスピン－軌道相関と量子揺らぎに関する研究

过渡金属化合物自旋轨道相关性与量子涨落研究

• 批准号: 15J08412
• 负责人: 松浦 慧介
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J08412/
• 关键词: 強相関電子系; 軌道自由度; 固体内素励起; 格子回転効果; 量子臨界点; X線非弾性散乱; 中性子非弾性散乱; 超音波測定; スピン・軌道相互作用; 量子液体

強相関電子系では、電荷・スピン・軌道・格子といった固体内自由度を制御することによって、電気・磁気・弾性・熱といった固体の応答を制御する。本研究では、特に強相関電子系におけるスピン自由度と軌道自由度の結合したゆらぎを検出し、それを活かした巨大な物性応答を創出することを目標とした。まず、スピネル型酸化物MnV2O4では、J-PARCにおいて中性子非弾性散乱を用いて、従来スピン波と考えられてきた22 meV付近の磁気散乱がスピン軌道混成励起である可能性を提案し、その微視的なモデルを提唱した。また、温度変化を詳細に調べることで、その提案を裏付ける実験的な根拠を得た。さらに、SPring-8のBL43LXUにおいてMnV2O4のX線非弾性散乱実験を行い、MnV2O4のフォノンモードの同定に成功した。中性子非弾性散乱で観測された22 meVの励起の分散関係や散乱強度をモデル計算と比較したところ、フォノンではないことがわかった。以上から、スピン自由度と軌道自由度が結合した固体内素励起の存在を実験的に初めて明らかにした。次に、CoNb2O6における量子臨界点近傍での弾性定数のソフト化の起源を調べた。その起源は、横波超音波に含まれる格子回転の寄与によることを実験的に明らかにした。その大きさは、従来のf電子系の物質と比べて、はるかに大きな効果であった。立方対称場のCo2+イオンの電子状態を仮定して、格子回転を含んだハミルトニアンを理論的に導出し、スピン軌道相互作用によるスピン軌道混成効果と量子ゆらぎが結合して現れるのではないかと結論づけた。以上のように、スピンと軌道の自由度が相関した新規な固体内素励起を発見した。また、スピンと軌道の量子ゆらぎに起因して、格子回転と呼ばれる横波音波の非対称な応答が巨大化することを発見した。

在强关联电子系统中，通过控制固体内的自由度（例如电荷、自旋、轨道和晶格）来控制固体的响应（例如电、磁、弹性和热）。在这项研究中，我们的目的是检测强相关电子系统中自旋和轨道自由度的组合波动，并利用它来产生巨大的物理响应。首先，在尖晶石型氧化物MnV2O4中，利用J-PARC的非弹性中子散射，我们提出了22meV附近的磁散射（通常被认为是自旋波）是自旋轨道混合激发的可能性，并提出了视觉模型。此外，通过详细检查温度变化，他们获得了实验证据来支持他们的提议。此外，我们在SPring-8的BL43LXU上对MnV2O4进行了非弹性X射线散射实验，并成功识别了MnV2O4的声子模式。当我们将非弹性中子散射观测到的22 meV激发的色散关系和散射强度与模型计算进行比较时，我们发现它不是声子。综上所述，我们首次通过实验揭示了固体中结合自旋和轨道自由度的基本激发的存在。接下来，我们研究了 CoNb2O6 量子临界点附近弹性常数软化的根源。实验表明，其起源是由于横向超声中包含的晶格旋转的贡献。这种效应比传统的f电子材料大得多。假设Co2+离子的电子态处于立方对称场中，我们从理论上推导了包含晶格旋转的哈密顿量，并得出自旋轨道相互作用和量子涨落引起的自旋轨道杂化效应可能共同出现的结论。如上所述，我们在固体中发现了一种新的基本激发，其中自旋和轨道自由度是相关的。他们还发现，由于自旋和轨道的量子涨落，横向声波的不对称响应（称为晶格旋转）变得巨大。

项目成果

擬1次元イジングスピン系CoNb2O6におけるスピン・軌道混成と弾性応答

准一维伊辛自旋体系CoNb2O6中的自旋轨道杂化和弹性响应

• 发表时间: 2016
• 作者: 松浦慧介;P. T. Cong;S. Zherlitsn;J. Wosnitza;有馬 孝尚
• 通讯作者: 有馬 孝尚

Large lattice rotational effect near quantum critical point in a transverse field Ising magnet CoNb2O6

横向场 Ising 磁体 CoNb2O6 中量子临界点附近的大晶格旋转效应

• 发表时间: 2017
• 作者: 松浦慧介;Keisuke Matsuura
• 通讯作者: Keisuke Matsuura

ドレスデン強磁場研究所(ドイツ)

德累斯顿强磁场研究所（德国）

Magnetic excitations in the orbital disordered phase of MnV2O4

MnV2O4 轨道无序相的磁激发

• DOI: 10.1016/j.physb.2017.09.085
• 发表时间: 2017
• 期刊: Physica B: Condensed Matter
• 作者: Matsuura Keisuke;Sagayama Hajime;Uehara Amane;Nii Yoichi;Kajimoto Ryoichi;Kamazawa Kazuya;Ikeuchi Kazuhiko;Ji Sungdae;Abe Nobuyuki;Arima Taka-hisa
• 通讯作者: Arima Taka-hisa

Ultrasound Investigation of One Dimensional Zigzag Antiferromagnet MnNb2O6

一维之字形反铁磁体MnNb2O6的超声研究

• 发表时间: 2016
• 作者: K. Matsuura;P. T. Cong;S. Zherlitsyn;J. Wosnitza;N. D. Khanh;T. Arima
• 通讯作者: T. Arima