第8回QLC若手コロキウム

日時：2022年9月26日（月）　13:30～15:10
講演者：時本純（東理大理）、鬼頭俊介（理研CEMS）、渡邉杜（阪大理）、HU, Yajian（京大理）、林田健志 （東大新領域）、計5名

※Zoomによるオンライン開催
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１）13:30～13:50
講演者：時本純 (東京理科大学理学部第一部応用物理学科)
タイトル：Randomized特異値分解による２次元モット絶縁体の光励起状態の研究
アブストラクト：
　2 次元モット絶縁体の光吸収スペクトルは、スピン電荷分離が成り立たないことなどから、1次元モット絶縁体のそれとは大きく異なる様子を示すが、その起源の詳細について詳しくはわかっていない。
　そこで、我々は、強相関有効モデルにおいてデルタ関数型の光パルスを照射した場合の時間依存シュレディンガー方程式の解を、Randomized 特異値分解[1]を用いてエネルギー固有モードに分解した上で、各モードのスピン相関や電荷相関を計算した。この Randomized 特異値分解は、次元圧縮をすることにより、従来の特異値分解法では取り扱えないような大きさの行列をも特異値分解できるとともに、その重要なモードを自動的に抽出できる手法である。
　本セミナーでは、主に、サイト数 N=26、電子間クーロン相互作用 V=0、0.1 < t/U < 0.01 (t はホッピング、U はオンサイトクーロン相互作用)での結果を紹介する。この場合、ハミルトニアンの次元は 1.7×10⁷であるが、約 3000 個のモードの寄与を取り入れると、光吸収スペクトルがほぼ厳密に再現できることがわかった。さらに、スピン相関や電荷相関を計算することにより、バンド下端に存在が示唆されていたエキシトン的状態の起源がスピンであることや、バンド中央付近に、反強磁性的秩序をある程度保ったモードが存在することなどがわかった。本セミナーではそれらの詳細について議論を行う。

[1] N. Halko, P. G. Martinsson, and J. A. Tropp, SIAM Rev. 53(2), 217-288 (2011)

２）13:50-14:10
講演者：鬼頭俊介（理化学研究所CEMS）
タイトル：放射光X線回折を用いた強相関電子系物質における電子軌道観測
アブストラクト：
　ノイマンの原理として知られるように、物理現象の対称性は結晶の対称性によって支配される。従って、物性を理解する上で結晶構造は基本的かつ本質的な情報である。しかし、近年では結晶の対称性だけでは、その特異な量子物性を理解できない物質群が数多く存在する。我々はこのような系を構造物性的観点から理解するために、電子軌道の自由度に着目した研究を行ってきた。電子の空間的な分布状態に対応する軌道自由度は、輸送特性や磁気状態などの物性に大きく影響する[1]。電子軌道は「形」の最小単位であり、価電子の空間分布状態を観測することで物質の軌道状態を理解することができる。我々は放射光X線回折とコア差フーリエ合成法[2]に基づく電子密度解析によって、結晶性物質中の価電子密度分布の直接観測に成功した。
　本講演では、強相関電子系物質における電子密度解析の結果について、ペロブスカイト[3]、スピネル[4]、パイロクロア格子物質[5]などを例に挙げて、3d, 4d, 4f軌道電子の観測結果について紹介する。価電子密度分布から結晶場、軌道混成、相対論的スピン軌道相互などの情報を得られることが分かってきた。

[1] Y. Tokura, and N. Nagaosa, Science 288, 462 (2000).
[2] S. Kitou et al., Phys. Rev. Lett. 119, 065701 (2017).
[3] S. Kitou et al., Phys. Rev. Res. 2, 033503 (2020).
[4] T. Manjo, S. Kitou et al., Mater. Adv. 3, 3192 (2022).
[5] S. Kitou et al., submitted.

３）14:10-14:30
講演者：渡邉杜（大阪大学大学院理学研究科）
タイトル：Unique magnetoresistance and Hall effects in classical triangular antiferromagnet Ag₂CrO₂ thin films
アブストラクト：
　Ag₂CrO₂, a triangular lattice antiferromagnet (TAFM) with S = 3/2 localized at the Cr site [1], has been gaining attraction in recent years. Below its magnetic transition temperature at T_N = 24 K, some of the spin sites show a peculiar spin state, known as a partially disordered (PD) state, and act as effective free spins even under its magnetic transition temperature, making Ag₂CrO₂ an ideal stage to study spin liquid crystals. Moreover, it is one of the few TAFMs with high electrical conductivity. Although the bulk material is polycrystalline, recent research showed its crystallinity can be dramatically increased through the mechanical exfoliation technique similar to other van-der-Waals materials [2,3], making electrical transport measurements of high quality Ag₂CrO₂ possible.
　The PD sites lead to unique electrical transport phenomena, such as large butterfly shaped hysteresis which only appears in the vicinity of T_N [4]. The result indicates that fluctuations of the PD spin state have a significant effect on the electrical transport properties of Ag₂CrO₂. In this presentation, we will report on electrical transport measurements of Ag₂CrO₂ thin films up to 8 T, in the temperature range from 5 to 44 K. The behavior of the magnetoresistance changes dramatically throughout this temperature range, and noticeably large magnetoresistance up to 80 % was observed owing to the high conductivity. We will also discuss Hall measurements where anomalous terms were present, possibly related to the higher order fluctuations of the spins [5].

[1] H. K. Yoshida et al., J. Phys. Soc. Jpn. 80, 123703 (2011).
[2] M. Watanabe et al., Appl. Phys. Lett. 117, 072403 (2020).
[3] M. Watanabe et al., AIP Adv. 11, 015005 (2021).
[4] H. Taniguchi et al., Sci. Rep. 10, 2525 (2020).
[5] J. Kondo, Prog. Theor. Phys. 27, 772 (1962).

４）14:30-14:50
講演者：HU, Yajian (京都大学理学研究科)
タイトル：Time-reversal symmetry breaking in charge density wave of CsV3Sb5 detected by polar Kerr effect
アブストラクト：
　The Kagome lattice exhibits rich quantum phenomena owing to its unique geometric properties. Appealing realizations are the recently discovered Kagome metals AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs), where unconventional charge density wave (CDW) is intertwined with superconductivity and non-trivial band topology. The CDW gap is strongly momentum-dependent, indicate that the CDW transition is triggered by Fermi surface nesting dominated by van Hove singularities [1]. Moreover, some experiments, such as anomalous Hall effect and µSR, suggest the CDW is time-reversal symmetry-breaking (TRSB) [2,3]. Theories predict the CDW to be a rare occurrence of chiral CDW characterized by orbital loop current [4]. However, key evidences of loop current, spontaneous TRSB and the coupling of its order parameter with the magnetic field remain elusive and contradictory.
　Here, we investigate the CDW in CsV3Sb5 by magneto-optic polar Kerr effect with sub-microradian resolution. Under magnetic field, we observed a jump of the Kerr angle at the CDW transition. This jump is magnetic-field switchable and scales with field, indicating magneto–chirality coupling related to non-trivial band topology. At zero field, we found non-zero and field-trainable Kerr angle below TCDW, signaling spontaneous TRSB [5]. Our results provide a crucial step to unveil quantum phenomena in correlated Kagome materials.

[1] A review of AV3Sb5: Neupert et al. Nature Physics 18, 137-143 (2022).
[2] Mielke et al. Nature 602, 245–250 (2022).
[3] Khasanov et al. Phys. Rev. Research 4, 023244 (2022).
[4] Denner et al. Phys. Rev. Lett. 127, 217601 (2021).
[5] Yajian Hu et al. arXiv:2208.08036 (2022).

 ５）14:50-15:10
講演者：林田健志 (東京大学大学院新領域創成科学研究科)
タイトル：非相反光学効果を用いたCr₂O₃における反強磁性ドメインの観測
アブストラクト：
　反強磁性体Cr₂O₃は，転移温度 T_N ~ 307 K以下で線形な電気磁気効果を示し，代表的なマルチフェロイック物質の一つとして知られている。Cr₂O₃においては，空間反転対称性，時間反転対称性がともに破れていることに起因した非相反光学効果である，電場誘起ファラデー効果 (Electric Field induced Faraday effect, 以下E–induced Faraday)と反射光の非相反旋光効果 (Nonreciprocal Rotation of Reflected light, 以下NRR)が発現する[1,2]。E–induced Faradayは透過配置において，印加電場に線形な偏光面の回転が誘起される現象であり，NRRは反射配置において，自発的な偏光面の回転が生じる現象である。これらの非相反光学効果はCr₂O₃の時間反転(あるいは空間反転)操作によって結びつく相異なる反強磁性ドメイン状態間において逆向きの旋光を示し，したがって同効果の空間分布測定によって反強磁性ドメインを可視化することができると期待される。しかしながらこれらの効果の大きさは小さく(E–induced Faraday: ~ 10^-5 deg/V, NRR: 10^-2 deg)，そのようなドメイン観測はこれまでに報告されていない。
　本研究ではそれぞれ電場変調イメージング[3]，偏光変調イメージング測定[4]を行うことでE–induced Faraday, NRR を用いたCr₂O₃の反強磁性ドメインの観測を試みた。これらの測定においては，大量の差分像を平均化することによって，ノイズを抑えて微小な信号の空間分布を得ることが可能になる。測定の結果，旋光の向きが互いに逆向きの領域が明瞭に観測され，反強磁性ドメインの可視化に成功した。発表では研究の背景と測定手法，観測結果の詳細について紹介する。

[1] B. B. Krichevtsov et al., Zh. Eksp. Teor. Fiz. 94, 284 (1988).
[2] B. B. Krichevtsov et al., J. Phys.: Condens. Matter 5, 8233 (1993).
[3] Y. Uemura et al., Phys. Rev. Applied 11, 014046 (2019).
[4] T. Ishibashi et al., J. Appl. Phys. 100, 093903 (2006).

担当：渡部洋（立命館大学）、和達大樹（兵庫県立大学）