東大ら,電子とプロトンの連動による新しい量子液体状態を発見

東京大学と東北大学は共同で,物質中における電子とプロトン(水素イオン)の連動による新しい量子液体状態を世界で初めて発見した(ニュースリリース)。

電子は,電荷とスピンを持っており,これらが物質の電気を流す性質(伝導性)や磁石の性質(磁性)などを決めている。水素もまた,物質の性質や機能と深く関連しており,例えば,分子やイオンを,水素を介して結合させること(水素結合)で,電気を蓄える性質(誘電性)を制御することができる。

この両者に対する研究は80年以上前から行なわれてきたが,水素結合が電子と連動した際に,どのような物理状態が現れるかは分かっていなかった。

研究グループは,磁性を担う電子のスピンと誘電性を担う水素結合中のプロトンを上手く繋ぎ合わせることで,電子スピンとプロトンの振動が両方とも絶対零度(マイナス273.15°C)においても凍結することなく揺らぎ続ける,これまでにない量子力学的な液体状態(量子常磁性・量子常誘電状態)を発見することに成功した。

研究グループは今後,元素置換や圧力効果などを系統的に調べることで,量子常誘電性と量子常磁性が同時に出現する新しい量子液体状態に関する知見を深めると共に,多自由度の特性を生かすことで,新しいタイプのデバイスへの展開が期待されるとしている。

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