東大，最強クラス磁場でコバルト酸化物の電子・磁気状態発見

東京大学の研究グループは，世界最強クラスの磁場を用いて，コバルト酸化物の新しい電子・磁気状態である「スピン状態秩序相」を発見した（ニュースリリース）。

固体中には無数ともいえる電子が漂っており，それらの運動の様子がその固体の電気・磁気的な性質を決めている。遷移金属酸化物では，電子の自由度である電荷，スピン（電子の磁石としての性質），軌道（電子密度の空間的な偏り）などがお互いに強い相関を持つことで，超伝導相をはじめとした多彩な電気的・磁気的秩序相が現れることが知られ，機能物質として注目されている。

コバルト酸化物に特有な自由度として「スピン状態」の存在が知られており，この秩序現象が探索されていた。スピン状態は物質の電気・磁気・光学特性と強い相関があるため，電気・磁気・光学的性質をあわせ持つ新奇なスイッチング素子が実現できる可能性がある。ところが，実際には多くのコバルト酸化物で秩序化は観測されていなかった。

実際にスピン状態の自由度を持つコバルト酸化物LaCoO₃の電気・磁気的性質の変化を説明することは難しく，固体物理における最大の難問の一つととらえられている。一方で，極限的に強い磁場を用いることでLaCoO₃の磁気状態が観測可能になることが，以前から予想されていた。しかし，これまでに行なわれた実験では，スピン状態の秩序化の有無は依然として不明だった。

研究グループは，この解明に必要な100テスラ以上という世界最強クラスの磁場を用いて，コバルト酸化物LaCoO3の磁気状態を観測することに成功した。観測した磁化過程から得られた磁場温度相図はその形状が特徴的で予想と異なっていることがわかった。観測された高磁場相はエントロピーの小さい相であり，何らかの秩序化が起こっていると考えられるという。

この「スピン状態秩序相」の起源としては，磁化・エントロピーの変化量から，スピン状態が空間的に配列した相である可能性が最も高いとする。さらに相図では，少なくとも二つの強磁場相があることがわかる。これは，強磁場相の形成に，スピン状態だけではなく電子の別の自由度も関与していることを示唆している。例としては軌道の自由度が挙げられるとしている。

研究で「スピン状態秩序相」が発見されたことで，コバルト酸化物中ではスピン状態間に強い相互作用があるだけでなく，スピン状態自由度と軌道などの電子の他の自由度との間にも強い相関があることが示唆された。これらは固体物理最大の難問の解決にむけた重要な糸口となる。また，研究はコバルト酸化物の基本的な性質を明らかにするもので，今後のコバルト酸化物を用いた微小なスイッチなどのデバイス開発に大きく役立つ知見であるとしている。

新たに見つかった「スピン状態秩序相」には未解明な点が多くある。研究グループでも磁化測定にとどまらず，今後の展開として磁歪，X線回折，磁気抵抗率測定などの多角的な実験を計画している。さらに，東京大学物性研究所のみで到達可能な500テスラ以上の最強磁場をもちいた，磁場温度相図の全体像の解明も計画している。