東大ら,超強磁場中で「格子ひずみ」を直接観測

東京大学物と茨城工業高等専門学校は,コバルト酸化物の新しい電子状態を発見した(ニュースリリース)。

酸化物の電子状態変化はメモリ,スイッチ,センサー素子など,現代社会を支える機器に無数に応用されている。酸化物の新規電子状態が見つかれば,これまでにないデバイスへの応用が期待される。

研究グループは2016年にコバルト酸化物LaCoO3の超強磁場中での磁化測定から,磁場に誘起される磁気と電子状態が結合した謎の秩序相を2種類発見した。この秩序相は,「電子相関」と「スピンクロスオーバー」という現象が絡まった新しい電子状態であると期待され,多くの理論的予測がなされた。

理論的予測は,大きく分けてスピン状態という自由度が結晶化した新たな電子状態である説と,スピン状態が励起子を組む説に分かれた。しかし,磁化の結果だけでは両者の違いを解明できず,超強磁場環境中における新たな実験手法を用いた検証が待たれていた。

そこで研究グループはコバルト酸化物の「スピン状態」の自由度が,磁気だけでなく,電子状態や格子体積と強く結合した自由度であることに着目した。そして,「格子ひずみ」を介した測定によってLaCoO3の謎の秩序相の起源を解明することを着想した。

このためには,超強磁場環境での精密な測定が要求されるが,超強磁場はマイクロ秒しか持続時間がなく,かつ,測定チャンスは一回のみ,と困難を極める。これに対し,超強磁場環境中においても測定可能な,新たなひずみ計測法を開発し,世界最速100MHzの超高速ひずみ計測法の実装に成功した。

この手法は結晶構造のマクロなひずみを光学的に検知する画期的な測定手法であり,これによりLaCoO3の超強磁場における謎の秩序相の起源を解明する準備が整った状況にあった。

今回,研究グループは超高速ひずみ計測法を用いて超強磁場中における「格子ひずみ」の測定を世界で初めて達成し,これによってLaCoO3の電子状態を解明することに成功した。

具体的にはまず,LaCoO3の2種類の謎の秩序相はどちらも磁場に対して一定のひずみ値をとることから,謎の秩序相は,スピン状態が結晶化した新たな電子状態であり,スピン状態が励起子を組んだ状態ではないことを初めて実験的に示した。

さらに2種類の秩序相はそれぞれ異なるひずみ応答を示すことを定量的に明らかにした。これにより,2種類の秩序相ではスピン状態の結晶が異なる種類のものであることも明らかにした。研究グループは今回発見した電子状態を利用し,機械ひずみ・電子状態・磁気が結合した新規メモリやスイッチ素子への応用が期待されるとしている。

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