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量子スピン液体の臨界現象の発見

~極低温まで凍らないスピン液体状態の普遍的性質の解明へ~

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人東京大学

NIMSの研究グループは、東京大学の研究グループと共同で、三角格子を有する有機物質が極低温で示す量子スピン液体状態において、磁化率の量子臨界現象を世界で初めて観測しました。 

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (以下NIMS) の磯野貴之 (NIMSポスドク研究員) と宇治進也 (機能性材料研究拠点、副拠点長) らの研究グループは、東京大学大学院工学系研究科の鹿野田一司 教授らの研究グループと共同で、三角格子を有する有機物質が極低温で示す量子スピン液体状態において、磁化率の量子臨界現象を世界で初めて観測しました。
  2. 水を冷やすと氷になるように、一般的に物質の温度を下げると、原子や分子は整列して安定な状態 (秩序のある状態) へと転移します。量子スピン液体は、その例外であり、電子のスピンが極低温でも整列せずにふらふらしている状態 (液体のような状態) です。いくつかの物質で量子スピン液体状態が実験的に発見されてきましたが、極低温まで液体のままでいられるその起源は分かっていません。量子スピン液体の本質を明らかにするためには、物質の詳細 (構成元素など) によらない普遍的な性質を調べる必要があります。
  3. 本研究において、上記共同研究グループは、量子スピン液体になる有機物質κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3の高品質単結晶を育成し、0.03ケルビンという極低温まで、17テスラという高磁場まで、磁化率を精密に測定しました。その結果、磁化率が低温に向けて発散する傾向を持ち、非常に広い温度・磁場範囲で単一の曲線に乗る (スケールされる) ことを発見しました。この結果は、κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3のスピン状態が、ゼロ磁場の量子臨界点に向かって量子臨界現象を示していることを意味します。さらに、物質の対称性や空間次元性といった、物質の詳細によらない基本的な性質のみで決まる量 (普遍量) である臨界指数を決定することに成功しました。
  4. 本研究で決定した臨界指数は、この不思議な液体状態の理論モデルを仕分ける強固な指標となります。実験で得られた臨界指数は、これまでの理論では説明できない値でした。今後、この指数を基に、量子スピン液体の発現機構を説明する理論モデルの構築・詳細な理解が進むと期待されます。また、量子スピン液体は、高温超伝導 (例えば、銅酸化物高温超伝導体) の発現機構との強い関連が注目されており、スピン液体の理論の発展が、高温超伝導発現機構の理解にも繋がる可能性を秘めます。
  5. 本研究成果は、英国のオンライン科学雑誌Nature Communicationsに現地時間2016年11月14日午前10時 (日本時間同日19時) に掲載されます。

「プレスリリースの図2:  (左) 磁化率のスケーリングプロット。縦軸はスケールされた磁化率を表し、曲線の色は測定した条件の違いを表します。広い温度・磁場範囲で磁化率が単一の曲線 (点線) に乗ることが分かります。 (右) 温度—磁場相図。図の赤い領域 (量子臨海領域) で、磁化率が絶対零度、ゼロ磁場に向けて臨界挙動を示します。この磁化率の振る舞いを特徴付ける臨界指数は、今までの理論では説明できないものです。」の画像

プレスリリースの図2: (左) 磁化率のスケーリングプロット。縦軸はスケールされた磁化率を表し、曲線の色は測定した条件の違いを表します。広い温度・磁場範囲で磁化率が単一の曲線 (点線) に乗ることが分かります。 (右) 温度—磁場相図。図の赤い領域 (量子臨海領域) で、磁化率が絶対零度、ゼロ磁場に向けて臨界挙動を示します。この磁化率の振る舞いを特徴付ける臨界指数は、今までの理論では説明できないものです。




本研究内容に関するお問い合わせ先

(研究内容に関すること)
国立研究開発法人物質・材料研究機構
機能性材料研究拠点 
副拠点長 宇治 進也 (うじ しんや)
TEL: 029-863-5512
E-Mail: UJI.Shinya=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人物質・材料研究機構
機能性材料研究拠点 量子輸送特性グループ
NIMSポスドク研究員 (研究当時) 磯野 貴之 (いその たかゆき) (現 国立研究開発法人 理化学研究所 特別研究員)
TEL: 048-467-9412
E-Mail: takayuki.isono=riken.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立大学法人 東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻
教授 鹿野田 一司 (かのだ かずし)
(報道・広報に関すること)
国立研究開発法人 物質・材料研究機構 経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
東京大学大学院工学系研究科 広報室
〒113-8654 東京都文京区本郷7丁目3−1
TEL: 03-5841-1790
FAX: 03-5841-0529
E-Mail: kouhou=pr.t.u-tokyo.ac.jp
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