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東大と北大など、スピンによる熱流が磁場で曲がるメカニズムを解明

2018/8/27 14:45
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発表日:2018年8月27日

スピンによる熱流が磁場で曲がるメカニズムを解明

1.発表者:

山下 穣(東京大学物性研究所 准教授)

川島 直輝(東京大学物性研究所 教授)

吉田 紘行(北海道大学大学院理学研究院 准教授)

2.発表のポイント:

電気の流れない絶縁体であるカゴメ反強磁性体で、絶縁体では観測されないはずの熱ホール効果(熱流が磁場によって曲げられる現象)が観測された。

理論計算との精密な一致により、カゴメ反強磁性体のスピン液体相(カゴメスピン液体相)におけるベリー位相の効果によってスピンによる熱流が磁場によって曲げられて、熱ホール効果が現れていることが判明した。

カゴメスピン液体相による熱ホール効果のメカニズムを解明したことで、他の磁性体やカゴメ磁性体で期待されている量子スピン液体の研究の発展につながる。

3.発表概要:

東京大学物性研究所の山下穣准教授、川島直輝教授らの研究グループは、北海道大学の吉田 紘行准教授、Sungkyunkwan大学の Jung Hoon Han教授らのグループと共同で、カゴメ反強磁性体Caカペラサイト石(CaCu3(OH)6Cl2・0.6H2O)で実現しているスピン液体相(注1)で、熱流(注2)が磁場によって曲げられる「熱ホール効果」が起きていることを発見しました。そして、Schwinger-boson法という計算手法を用いてスピン液体相でのベリー位相(注3)と呼ばれる量子力学的効果を取り入れた計算を行った結果、観測された熱ホール効果を非常に高い精度で再現することに成功しました。

通常、熱ホール効果は電気の流れる金属で現れる現象で、Caカペラサイト石のような電気の流れない絶縁体ではどのようなメカニズムで現れているのか不明でした。今回、Caカペラサイト石で広い温度範囲にわたって高精度の熱ホール測定を行ったことで、スピン液体相でのベリー位相効果を取り入れた理論計算との詳細な比較が初めて可能になりました。本研究成果は、カゴメ反強磁性体におけるスピン液体のトポロジー現象の一端を明らかにするもので、磁性体中のスピンを用いた熱流の制御や、謎の多い量子スピン液体形成の起源の解明にもつながることが期待されます。

本研究は米国科学誌「Physical Review Letters」で公開されます(8月29日(水)オンライン掲載予定。前後する可能性あり)。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

http://release.nikkei.co.jp/attach_file/0488706_01.pdf

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