Fourfold Spin Chain

4倍周期性がもたらす多彩な量子状態 　

(物性研究6 (2017) 064216にて詳しく解説しています)

　第一原理的な分子軌道計算から、3パターンの分子接近（3種類の交換相互作用)によってスピン1/2の反強磁性的な4倍周期スピン鎖の形成が示されました。磁化率のブロードピークと30K付近の変曲点(図1)、磁化曲線のゼロ磁場ギャップと1/2プラトーなど(図2)、3種類の交換相互作用により多彩な磁気特性を発現しています。それらは、量子モンテカルロ法によって非常に良く再現することができ、実際に3種類の交換相互作用の大きさを見積もることができました。 それらの値をベースとして、摂動法を用いた考察を行うことで、この4倍周期スピン鎖の量子状態を定性的にも理解することができました。

　低磁場領域(0<H<H_1/2)では、J₃で繋がれたスピンのペアがsinglet状態を形成して、楕円内のスピンの磁気モーメントが消失しています。 ここで摂動計算から、残されたスピン間には実効的な反強磁性相関J_effが働くことが導かれます。 よって、1/2プラトー以下の磁場領域では、J₁とJ_effから成る実効的な反強磁性ボンド交替鎖となっています。この実効的なボンド交替鎖は、弱く結合することで磁気秩序状態が発現しており、量子揺らぎをもつsinglet状態と磁気秩序状態が共存したユニークな状態が発現しています。

　1/2プラトー以上の磁場領域(H>H_1/2)においては、最も小さいJ₁で繋がれたスピンのペアが完全に磁場方向へと向きを揃えており、自由度をもたない状態にあります。さらに、非常に強いJ₃で繋がれたスピンのペアに関しては、singletの基底状態と磁場によって安定になるtriplet励起状態の２準位のみを考えればよくなります。それらを摂動的に考慮すると、実効的スピンS_effと実効的強磁性相関J_zによるイジング型強磁性スピン鎖with弱い反強磁性XY型相互作用J_xyとなっていると考えられました。このような特異なスピン鎖は、 J_xyとJ_zの大きさによっては、実効スピンの朝永・ラッティンジャー液体状態の実現も期待できる非常に面白い量子状態となっています。