理科大,鉱物中に量子ビットを発見

東京理科大学の研究グループは,カムチャッカ半島のトルバチク火山で発見された鉱物を人工合成し,実験・理論の両側面から,その内部磁気状態を調べた。この結果,同物質の低温磁気状態が,一次元的に強い量子もつれを持った状態であることを発見した(ニュースリリース)。

K2Cu3O(SO4)3 (鉱物名:Fedotovite)は,カムチャッカ半島のトルバチク火山で発見された鉱物。この物質の磁気的な性質は,半奇数スピン(ℏ/2)を持つ2価の銅イオンCu2+の構造により決定される。この物質では,銅イオンは6個で一つの辺共有四面体クラスタを形成し,それぞれのクラスタは硫酸イオンでb軸方向に繋がれている。

この構造の特徴から,研究グループはこの物質を,「辺共有四面体量子スピンクラスタ鎖」と名付け,実験・理論の両面から,内部磁性に関する研究を続けてきた。

研究ではまず,室温付近の磁気状態を調べ,これが銅イオン構造と同様の,辺共有四面体量子スピンクラスタの振る舞いを示すことを明らかにした。さらに,理論的により,このクラスタの低温磁性は,有効的な整数スピン(ℏ)により記述されることが分かった。

もし,このクラスタが,銅イオン構造と同様に,一次元的に相互作用するなら,半奇数スピンクラスタから,ホールデン状態を構成することができる。

この仮説を検証するため,研究グループは,4K以下の低温磁気状態も調べた。その結果,この物質の低温状態は,予想通り,ホールデン状態になっていることが分かった。

研究では,さらにこの知見を拡張し,ホールデン状態が出現し得るスピンクラスタ鎖の条件について考察し,この結果,クラスタ内の辺共有四面体の数(Ntetra)が奇数の場合と偶数の場合で定性的に異なる状態になり,辺共有四面体の数(Ntetra)が偶数の場合のみ,低温状態としてホールデン状態が出現する可能性があることが分かった。

この研究では,半奇数スピンクラスタを用いて,ホールデン状態が出現し得る条件を明らかにした。これまでの整数スピンでのホールデン状態出現条件の研究を合わせると,より柔軟に,量子コンピュータの設計指針を立てることができるとしている。

その他関連ニュース

  • 京大ら,弱い量子コンピューターでも古典より強いと証明 2018年05月21日
  • 玉川大,極めて多くの光強度をもつ量子暗号を発生 2018年05月15日
  • 東大ら,バルク/薄膜結晶で異なるスピン状態を観測 2018年05月15日
  • 神戸大学,メビウス芳香族分子の高エネルギー化の仕組み解明 2018年05月14日
  • 東北大ら,ブラックホールの量子もつれが既知より強い可能性を発見 2018年05月10日
  • 京大ら,スピンで半導体中の廃熱を電気信号に再利用 2018年05月07日
  • 東大,平衡状態における量子もつれの空間分布を完全に決定 2018年05月01日
  • 東北大ら,長距離核スピン偏極の観測に成功 2018年05月01日