東北大ら,三角格子反強磁性体の新量子相を発見

東北大学とドイツHelmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf,米National High
Magnetic Field Laboratory,神戸大学,大阪府立大学,東京工業大学らは,圧力によってスピンS=1/2三角格子反強磁性体Cs2CuCl4の結晶を歪ませることで,交換相互作用を精密にコントロールし,25テスラまでの強磁場下で電子スピン共鳴(ESR)という手法で,逐次的に現れる複数の新たな磁気相を発見した(ニュースリリース)。

三角格子反強磁性体では,全ての磁気相互作用を満足させる安定状態が存在しない幾何学的なフラストレーションと呼ばれる状態を持ち,多数の状態がせめぎ合っていることが知られており,小さな刺激で状態が劇的に変わることが予想されていた。

特に,磁気の単位であるスピンが最小の1/2を取る場合は,量子揺らぎが大きくこの効果が増幅される。しかし,これまでその予想に対する系統的な実験による検証はほとんど行なわれていなかった。

今回,研究グループは,スピンが最小の値である1/2を有し,正三角形から歪んだ構造をもつ三角格子反強磁性体Cs2CuCl4に高圧を加え,同時に強磁場を加えることにより,ほぼ連続的な交換相互作用の比の変化と磁気偏極の大幅な制御に成功した。

さらに,この状態での磁気的な性質を決定するために,電子スピン共鳴測定という方法を利用して,逐次的な量子相転移を発見した。この研究では,歪みにより交換相互作用がどの程度変わったかを決定する事が必要だが,高圧と強磁場の複合極限下でこれが可能なのは,電子スピン共鳴だけになる。さらに,相境界の決定には共鳴トンネルダイオード測定も用いたという。

研究グループは,今回の研究は,日本,ドイツ,米国における高圧,強磁場,試料合成の専門家が協力して初めて得られた成果で,2ギガパスカルの高圧と25テスラの強磁場,電子スピン共鳴を組み合わせることにより,新量子相を研究する手法が確立し,さまざまな系への応用が期待できるとしている。

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