理研，スピンアイスを冷却すると融解し仮想的な光子が出現することを発見

理化学研究所（理研）の研究グループは，スピンアイスと呼ばれる磁性体の関連物質を徐々に冷却した際，凍結しかけた電子スピンが集団的に量子力学的ゼロ点振動（絶対零度においても粒子が振動し続ける現象）を始めることで「量子スピン液体」に融解することを，厳密な数値シミュレーションによって明らかにした（ニュースリリース）。また，このスピンの集団的運動は仮想的な光子として振る舞うことも分かった。

通常の磁性体では，無数個の電子の自転（スピン）自由度が相互作用することで，低温でスピン秩序が出現する。しかし，電子スピン間の相互作用ネットワークがフラストレーションを有する場合には，スピン秩序の形成が抑制される。

特に，スピンアイスと呼ばれる磁性体では，微視的磁石としてのスピンのN極・S極（単極子）が分化し，スピンが凍結した状態となる。単極子を分化させたまま，スピンを凍結・秩序化させることなく絶対零度に向けて冷却することができれば，量子スピン液体と呼ばれる新しい状態が実現する可能性があることが提唱されており，詳細な数値シミュレーションによってその確証を得ることが課題となっていた。

研究グループは，数値的に厳密なシミュレーション手法によってスピンアイスが量子スピン液体へ融解する様子を，初めて具体的に示した。あらゆる電子スピンは，冷却とともにアイス則を満たす準安定なスピン構造に一旦陥ると凍結してしまう。しかし，冷却を続けていくことで，凍結したスピンの集団運動が量子効果により顕在化し，アイス則を満たしつつ凍結はしない量子スピン液体へと融解することが分かった。

また，量子スピン液体は磁化の単極子を電荷に見立てた場合の絶縁体に相当する性質を示すことや，スピンの集団的運動が量子電磁気学での光子と同様の性質を示すことを明らかにした。量子スピン液体は，電気を運ばない磁性体において，分化した単極子を制御することで磁性を制御できる可能性がある。量子スピン液体を実験的に実現すれば，電流を流すことなく磁性を制御する新しい機構を提供することが期待されるとしている。