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テンソルネットワーク / キタエフ模型 / スピン液体 / 有限温度物性 / フラストレート磁性体 / 熱ホール伝導度 / 量子スピン / フラストレーション / 磁性体 / 相転移

昨年度までの研究で高精度の有限温度計算が可能であることを明らかにした、有限サイズの二次元系に対する一次元テンソルネットワークによる密度行列の近似手法を活用し、本年度は主に、キタエフ模型の熱ホール伝導度の特徴を中心に詳細に解析した。
キタエフ模型の基底状態は、秩序を持たないスピン液体状態になっており、磁場中では、系の端を流れる熱流により、温度勾配とは直交した方向に熱が流れる熱ホール伝導を示すことが知られている。近年、α-RuCl3などの物質で、磁場中において、Kitaev型の相互作用に起因すると考えられる非磁性状態が現れ、このキタエフ模型のスピン液体と整合する、半整数に量子化された熱ホール伝導度も観測されている。本研究では、開発した有限温度物性の計算方法を磁場中のキタエフ模型に適用することで、実験での振る舞いと対応する様な、有限温度で半整数の量子化値を超える程大きな熱ホール伝導度が現れることを明らかにした。また、実際の物質にも存在していると考えられる、非対角の相互作用の影響も検討し、これらの相互作用の符号により、熱ホール伝導度が大きく影響を受けることを明らかにした。
加えて、同様の手法をカゴメ格子磁性体や Shastry-Sutherland 格子磁性体にも適用した。これらの磁性体では、 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用の影響で、有限の熱ホール伝導が現れることが期待されているが、テンソルネットワーク法を用いた計算でも、有限温度で熱ホール伝導現象が観測されることを確認した。

テンソルネットワーク / フラストレーション / 磁性体 / 相転移 / スピン液体 / スピン軌道相互作用 / キタエフ模型 / カゴメ格子 / 量子スピン

本研究では、二次元の量子フラストレート磁性体の基底状態を、波動関数を小さなテンソルの積で記述するテンソルネットワーク法を用いて解析した。S=1/2カゴメ格子ハイゼンベルグ量子スピン模型については、磁場中での基底状態を計算し、複数の磁化プラトーの存在を明らかにした他、1/3プラトーでは、六角形ループ上のスピンが共鳴状態を形成していることを示した。また、キタエフ相互作用が強く存在する物質、Na2IrO3について、その基底状態相図を明らかにした。さらに、強磁性と反強磁性の共存によりフラストレーションが存在する正方格子模型について、磁場中でスピンゆらぎが非常に大きくなることを明らかにした。

本研究により量子フラストレート磁性体の基底状態を計算する強力な手法として、テンソルネットワーク法を確立することができた。種々のフラストレート磁性体に対して得られた結果は、実験での観測をよく説明できており、計算物理の立場からこれらの物質の理解に寄与することができた。特に、キタエフ相互作用が強い物質については、本研究を通して、キタエフスピン液体状態のテンソルネットワークを用いた理解が進み、定量的にだけでなく、定性的にも大きな進展があった。この成果は、今後のキタエフ物質の物性理解にも活かせると期待している。