理研,量子スピンアイスが超固体の性質を持つことを解明

理化学研究所(理研)は,「量子スピンアイス」と呼ばれる磁性体では,単極子のN極とS極が磁場中で不均一な空間分布を示すと同時に超流動も示す「超固体」と呼ばれる性質を持つことを,数値シミュレーションによって明らかにした(ニュースリリース)。

物質中では,電子の自転(スピン)が極めて小さな磁石として作用する。通常の磁性体は,無数のスピンを整列させる相互作用のために低温で磁気秩序を示す。一方,量子スピンアイスと呼ばれる磁性体を冷却すると,スピンが秩序化しない「量子スピン液体」という新しい状態を示すことが,数値シミュレーションにより証明されている。

量子スピン液体では,スピンのN極・S極(単極子)が分化し,粒子のように振る舞う。このとき単極子は,瞬間的に閉曲線を描いて自由に零点運動をするが,N極・S極の極性は中性に保たれる。この単極子の振る舞いを制御する上で,磁場中の量子スピンアイスの性質を理解することが必要だった。

今回,研究グループは数値シミュレーションによって,量子スピンアイスが磁場中で磁化する過程を解明した。量子スピンアイスは磁場を加えると,量子スピン液体状態のまま磁化し始める。しかし,磁化が飽和磁化の2/3に達すると,磁化が磁場に対して変化しなくなる磁化プラトーに至り,単極子の零点運動が局在する。

さらに磁場を強くしてプラトーを超えて磁化させると,単極子は一様かつ中性な空間分布から不均一な空間分布へと転移し,同時に超流動を示すことが分かった。この状態は,ヘリウム4(4He)の超固体相におけるヘリウム原子を単極子に見立てた「単極子の超固体」として理解できる。

この成果は,量子スピンアイス物質を用いることで,電子スピンから分化する単極子が磁場の値によって超固体を含む複数の相へ相転移することを示した最初の成果。今後,単極子の自由度を制御することによって,低消費電力で駆動するデバイスを構築できる可能性を示唆するものだとしている。

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