東大ら,強誘電体のトポロジカルなスピン励起を解明

東京大学らは,電荷と格子が強く結合した強誘電体において、その秩序が壊れるときに生まれる磁気的な励起状態が,ソリトンと呼ばれるトポロジカルな励起であることを捉えた(ニュースリリース)。

物質の中には,電荷・スピン・格子といった複数の自由度が存在し,それらが協調することでさまざまな現象が発現する。近年,分子性物質において電荷と格子の自由度が強く結合した電子型強誘電体と呼ばれる状態が発見された。

このような状態(系)では,格子が変位すると同時に電荷が移動することにより,巨大な電気分極が発現する。一方で,電子が持つもう一つの重要な自由度であるスピンについては,一重項状態(シングレット)と呼ばれる量子力学的なペアを組むために,あらわにはならず,ほとんど注目されてこなかった。

今回,研究グループは,このような電子型強誘電体に圧力を加え,強誘電性が消えるとされる温度の近傍において,そのスピン状態を核磁気共鳴法によって精密に調べた。その結果,強誘電秩序が破壊されると同時に,スピン自由度が生み出されることを明らかにし,それが物質内を拡散的に伝搬していることを実証した。

そしてこのスピンの伝搬は,シングレットペアの組み残しとして生じる孤立スピンが物質内を拡散的に動いている,ソリトン的なトポロジカル励起によるものであることを突き止めた。「トポロジカルな励起」とは,特に実空間のトポロジーに注目し空間的に異なる状態間の境界に生じる欠陥のこと。

このように物質内を動き回るソリトンは,導電性高分子として知られるポリアセチレンにおいては,電気伝導を担う粒子として盛んに研究されてきたが,電荷と格子が強く結合した強誘電体において,磁性を担うソリトンの存在とその運動は,今回初めて実証された。

研究グループは,今回の研究により,通常の電子とは異なる形で物質内を伝搬するソリトンが示す電気的・熱的な輸送特性の研究の舞台として,広範な影響を及ぼすことが期待されるとしている。

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