「軌道スイッチング」現象を発見
磁気フラストレーション系の基底状態の理解と制御に期待
独立行政法人物質・材料研究機構
国立大学法人東京大学物性研究所
NIMS 超伝導物性ユニット強相関物質探索グループと東京大学物性研究所からなる共同研究チームは、フラストレート磁性体において、構造相転移に付随して現れる新しい物理現象「軌道スイッチング」を発見しました。
概要
- 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) 超伝導物性ユニット (ユニット長 : 宇治 進也) 強相関物質探索グループの吉田 紘行博士研究員、磯部 雅朗グループリーダー、及び、東京大学物性研究所 (所長 : 家 泰弘) の山浦 淳一助教、岡本 佳比古助教、ヨーラン・ニルセン博士研究員、廣井 善二教授からなる共同研究チームは、フラストレート磁性体において、構造相転移に付随して現れる新しい物理現象「軌道スイッチング」を発見しました。
- 固体は、原子核が周期的に規則正しく並んだ格子と多数の電子から構成されています。遷移金属酸化物などの強相関電子系物質では、多くの場合、格子系は電子系と強く結びついており、電子の3つの属性、即ち、電荷・スピン・軌道の自由度の選択性によって、様々な相転移 (秩序化) が起きます。
- 例えば、NaNiO2は、約480 Kで三方晶系の高温相と単斜晶系の低温相の間で構造相転移を起こします。このとき、相転移温度より低温側では、協力的ヤーン・テラー効果によって格子は歪み、不対電子は、特定の軌道を占有します。その軌道は空間的に規則正しく整列するため、軌道秩序が起こります。相転移より高温側では、軌道秩序は破壊されており、電子は縮退した軌道をランダムに占有します。即ち、軌道秩序は、一種の秩序・無秩序転移として定義できます。
- これに対し、今回観測された「軌道スイッチング」は、或る秩序状態 (軌道占有状態) から別の秩序状態への相転移であり、これまでの軌道秩序とは質的に異なるものです。研究チームは、「軌道スイッチング」現象を、銅鉱物の一種である、ボルボサイト (Cu3V2O7(OH)2・2H2O) において発見しました。この物質は、カゴメ格子を持つ磁気フラストレーション系として知られています。これまで、この物質の単結晶を作ることはできませんでしたが、今回、水熱合成法のプロセスに工夫を加え、初めて単結晶を作製することに成功しました。そして、「軌道スイッチング」は、単結晶試料でのみ観測されることが分かりました。
- さらに、「軌道スイッチング」現象は、磁気フラストレーション系の磁気基底状態にも影響を及ぼすことが分かりました。「軌道スイッチング」は、磁気相互作用の不均衡化を通じて、極低温で磁気転移を誘起します。理論的には、スピン1/2カゴメ格子フラストレート磁性体の基底状態は、スピン液体という強い量子ゆらぎ状態であることが予想されていますが、その存在は、実験的には、明確には確認されていません。今回、「軌道スイッチング」によって磁気基底状態を変化させ得ることが分かりましたので、今後、「軌道スイッチング」をうまく制御することができれば、スピン液体状態の発現に繋がる可能性があります。
- 本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」 (電子版) にて公開されています。
プレス資料中の図2 : 銅鉱物ボルボサイト (Cu3V2O7(OH)2・2H2O) の軌道スイッチング
カゴメ格子上のCu1サイトにおいて、不対電子が入るd軌道は、相転移温度TS= 310 Kを境界にして、x2-y2 (低温相 : 左) から3z2-r2 (高温相 : 右) へと切り替わります。これは、一種の秩序・秩序転移であり、「軌道スイッチング」と名付けられました。
