理科大,正方カゴメ格子に量子スピン液体を観測


東京理科大学は,量子コンピューターの技術開発に繋がることが期待される量子スピン液体(QSL)状態を,正方カゴメ格子(SKL)において初めて実験的に検証することに成功した(ニュースリリース)。

物質中に存在する電子はすべて,スピンと呼ばれる磁石のような配向性をもち,磁性イオンに由来して物質は様々な磁性を示す。特に,低温条件下においてスピンの熱揺らぎが抑制されると,近接する磁性イオン同士のスピンの相互作用(平行(↑↑)もしくは反平行(↑↓)に揃おうとする)によって,強磁性や反強磁性などの,長距離で秩序をもったスピンの整列様式をとる。

このスピンの長距離秩序を阻害することにより,スピンが持つ本来の量子力学的性質が顕在化し,物性物理学的に興味深い現象を実現すると考えられている。その中でも「量子スピン液体(QSL)」が注目を集めている。

QSLとは,熱力学的にはエントロピーが0になると考えられる絶対零度においても,スピンが整列せずに液体のように流動的に振る舞う状態。QSLが持つ分数励起,強い量子ゆらぎ・量子もつれなどの特性は,低消費電力での情報伝達・処理やエネルギー変換に利用できるため,スピントロニクスや量子コンピュータの発展に資する可能を持つ。

特に,ハーバートスミス石という鉱物は,カゴメ格子を形成していることが判明し,さらに人工合成したハーバートスミス石では,QSL状態の可能性も確認されたため,理論,実験の研究結果が多数報告された。

磁性イオンが一次元的に配列した場合におけるQSLは理論と実験の双方で研究が進んでおり,2次元配列においても,QSLの発現が理論的に予想される三角格子やカゴメ格子などを有するモデル物質の検討が行なわれてきた。しかし,ハーバートスミス石を含め,結晶中の格子欠陥などの原因により,QSL状態が観測されたと言い切れるモデル物質はほぼ存在しなかったという。

今回の研究では,探索が進められてきた格子系とは異なる「正方カゴメ格子」を形成する初の化合物であるKCu6AlBiO4(SO45Clを合成し,量子スピン液体状態の実験的検証に初めて成功した。さらに,今回実施された実験の結果は,数件存在する理論研究の結果とは一致しないことを示しており,正方カゴメ格子磁性体におけるさらなる理論研究の必要性が示唆された。

また,今回の成果によって,三角格子やハニカム格子のような正多角形の結晶構造に縛られずに,QSLを実現する物質を検討する幅が広がったとしている。

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