東工大ら,量子干渉効果による磁気準粒子を観測

東京工業大学,青山学院大学,日本原子力研究開発機構の研究グループは,量子反強磁性体Ba2CoSi2O6Cl2の中性子散乱実験により,この磁性体中ではトリプロンと呼ばれる磁気準粒子が,相互作用のフラストレーションによる量子干渉効果によって全く動けなくなることを確認すると共に,格子欠陥による不対スピンとトリプロンが量子力学的励起状態を形成することを明らかにした(ニュースリリース)。

通常の磁性体では,磁気準粒子は波のように結晶中を伝搬し,一般にその励起エネルギーは波の波長と進行方向によって異なる値をとる。しかし,磁気準粒子に働く相互作用のフラストレーションが完全な場合には,磁気準粒子は磁性体中を全く動けなくなり,その励起エネルギーが一定になることが理論的に示されていた。

研究では,この現象がBa2CoSi2O6Cl2で起こることを実証するとともに,通常は観測できない格子欠陥の効果が明確になることを示した。これにより,フラストレーションが強い量子反強磁性体Ba2CoSi2O6Cl2がもつ新奇な磁気励起を明らかにし,磁場中で磁気をもったトリプロンの結晶化が起こることを裏付けた。

今回のような純良単結晶を用いた精密な中性子散乱実験から,今後も多くの新しい現象が発見され,物性研究のフロンティアが拓かれていくものと考えられるという。磁性体は,磁気記録,磁気ヘッド,永久磁石など様々な応用がなされているが,これまでは主に古典的磁性が用いられてきた。

磁性体の量子効果を応用できれば,新しい磁気デバイスの開発につながるため,研究グループはこの研究が,今後の量子磁性材料の開発につながるとしている。

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