東大,絶縁体中に磁場で曲がる熱輸送過程を発見

東京大学の研究グループは,電気の流れる金属中でしか観測されないホール効果と同様の現象が,電気の流れない絶縁体であるスピン液体状態で発見した(ニュースリリース)。この成果は謎の多いスピン液体状態を研究するための新しい研究手法を示す画期的なもの。

磁場の中を移動する電子は,磁場から力を受けて(ローレンツ力),その軌道が曲げられる。その結果,磁場の大きさに比例する電圧が現れることが知られている。

ホール効果として知られるこの現象は,金属中の電子に対する基礎物性測定から,スマートフォンの中の磁気センサーへの応用まで様々なところに利用されている。このホール効果は金属中を流れる電子に対するローレンツ力がその起源であるため,電気の流れない絶縁体には存在しない。

ところが最近,絶縁体中の磁性を担う「スピン」が類似のホール効果を示すことが理論的に提案され,注目を集めている。スピンは電気を運ばないが,熱を運ぶことができるため,このホール効果は熱ホール効果として観測される。

今回,研究グループは,このスピンによる熱ホール効果を銅鉱物の一種であるカゴメ物質ボルボサイトにおける「スピン液体」の研究に応用して,スピン液体状態に熱ホール効果が現れることを見出した。

スピン液体状態はスピン同士が強く相関しているにもかかわらず絶対零度(マイナス273度)までスピンが磁気的な秩序を示さない未知の状態で,普通の磁性体とは異なる新しい現象が現れることが期待されているが,その詳細は未だ謎となっている。

この成果はこのスピン液体研究について,新しい研究手法を提案するもの。さらに,この熱ホール効果の大きさがスピン液体の形成と関連していることを初めて明らかにした。これは熱ホール効果が生じることが,未知のスピン液体の形成と強く関連していることを示しており,今後のさらなる展開が期待されるという。

研究グループは今後,この測定手法を様々な物質に応用することで,スピン液体の詳細を理解できるようにしたいとしている。

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