首都大ら，カーボンナノチューブ中に酸素分子を入れた磁性ナノワイヤを製作

首都大学，神奈川大学，大阪大学，新潟大学の研究チームは，共同で単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を用いて，酸素分子による新しい量子磁性体の作製にはじめて成功した（ニュースリリース）。

この磁性体はハルデン磁性体と呼ばれ，これまで三次元結晶内部でニッケルイオンなどが鎖状になった化合物にのみ存在が確認されていたが，今回，SWCNTの内部に酸素分子を配列させ，原理的には1本のナノワイヤーとして取り出しうるハルデン磁性体を作製することに成功した。

SWCNTは，小さな分子1個から数個分程度の直径のトンネル状の一次元空洞を持つ。この空洞内に分子（原子）を入れると，興味深いさまざまな性質をもつワイヤ状の物質を作ることができる。たとえば，金属，誘電体，磁性体，熱電変換材料などのナノワイヤを作ることができ，応用上も重要な物質となりうる。しかし，氷のチューブなどの例外を除き未だ十分な成果は得られていなかった。

研究チームは今回，SWCNT内部に酸素分子を充填させ，その酸素分子の集合体全体が一つの状態となって現れる新しい磁性体の開発に挑戦した。酸素分子は，スピン（量子数）と呼ばれる物理量が1の珍しい分子磁石。首都大学東京のグループは様々な直径のSWCNT内に，この酸素分子がどのように配列するかを古典分子動力学計算により調べた。

その結果，細い直径のSWCNT内部では，酸素分子が1列（一次元的）に配列して，低温でハルデン状態と呼ばれる磁石の性質を失った状態となると推測し，試料準備を行なった。大阪大学のグループは，この試料においてパルス強磁場装置を用いた磁化測定の実験を行ない，ある磁場の大きさまでは磁化が零の状態で，それ以上の大きさの磁場で磁石の性質が復活することを観測し，新潟大学グループによる数値計算結果と比較して良い一致を得ることができ，この試料がハルデン磁性体であることを実証することに成功した。

ハルデン状態は，超伝導と同様な量子効果により，分子磁石としての性質が完全に消失してしまう現象。研究グループは今後，様々な太さのSWCNTを用い，内部に入れる分子や原子を選ぶことにより，量子スピン系の基礎科学として重要な展開が期待できるとしている。応用としては，新しい磁性体ナノワイヤが開発され，たとえばスピンにより情報を伝達・制御するスピントロニクス材料の開発につながるかもしれないとしている。