大阪大学大学院基礎工学研究科（物質創成専攻物性物理工学領域）准教授の若林裕助氏、東京大学物性研究所教授の中辻知准氏を中心とする研究グループは、蜂の巣構造を基本骨格とする銅酸化物において、電子の持つ自由度であるスピンと軌道が量子力学的に混ざった状態に特徴的な構造を観測することに世界で初めて成功した。

研究グループは、高エネルギー加速器研究機構（KEK）放射光科学研究施設フォトンファクトリー（PF）の放射光を用い、数ナノメートルの範囲でのみ銅イオンの電子軌道が整列していることを観測した。その温度依存性を磁性と比較した結果、電子の軌道とスピンが強く絡み合いながら揺らいだ状態が実現していることが明らかになった。この状態は、軌道が高い温度で秩序化し、その環境に合わせて磁性が低温で秩序化する通常見られる状態と大きく異なっている。

蜂の巣構造などある種の幾何学的な構造は、単純な秩序構造と辻褄が合わず、フラストレーションを持ったまま非常に低温まで秩序を形成しないことが知られている。そのような物質の中では、通常生じない新しい状態が生まれることが理論的に予想されている。

今回の観測は、このような新しい状態の一つを実験的に確認したことに相当する。このような新しい量子状態は、新しい物性や機能を秘めている可能性があり、今後はその解明が期待される。

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