大阪大学大学院理学研究科の花咲徳亮教授らの研究グループは、原子の並びが氷のように乱れた物質において、極めて低い温度になっても電子の量子スピンが揺らいでいる状態を世界で初めて明らかにしました。

世の中の物質は、温度が下がると結晶化することがよく知られています。これは、原子間や分子間にはたらく相互作用のエネルギーが低くなるように、原子や分子が整列するためであり、熱力学第3法則の帰結とも言えます。しかし、水が凝固した氷では、H₂O分子の位置が完全に定まっているわけではありません。H₂O分子の向きを変えてもエネルギーが変わらない状態が数多く存在するため、氷は固体であっても、分子の向きが揺らいでいる特異な状態なのです。このように、物質中における全ての相互作用のエネルギーを同時に低くすることができないためにエネルギーの低い状態が数多く存在することをフラストレーションと呼びます。

物質中の各原子には電子が存在します。例えば図(a)のように、電子の量子スピンが三角形の頂点にあり、電子スピンを互いに逆向きに向かせようとする相互作用があると、右下の３つ目の電子スピンは上向きであっても下向きであっても相互作用エネルギーを低くすることはできません。このようなフラストレーションがあると、極めて低い温度まで電子スピンが揺らいでいるのか、それとも電子スピンが凍りついてしまうのかは、長年の謎でした。また、電子スピンが低い温度でも揺らいだ状態になるには、フラストレーションとともに、原子が乱れなく整列していることも必要条件だとこれまで考えられてきました。

今回、研究グループは、マグネシウムとチタンを含むスピネル型酸化物と呼ばれる物質において、チタン原子の位置が氷のように乱れているときに、電子のスピンが極めて低い温度まで揺らいでいる状態(ランダム・シングレット状態)が生じることを突き止めました。この状態では、図(b)のように、孤立した電子スピンが物質中をさまよい、電子スピンの対が揺らいだりしています。この発見から、原子の配置や種類に乱れがあっても、電子スピンが極めて低い温度まで揺らいでいることが明らかになりました。原子の並びの乱れが電子スピンの揺らぎに重要な役割を果たしていることを示しています。これにより、量子スピンがもつれながら揺らいでいる状態を安定化させるメカニズムの解明が進むとともに、低い温度で物質がなぜ凍りつく、あるいは凍りつかなくなるのかという根本的な問いに対する理解が深まると期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「PNAS (Proceedings of the National Academy of Science　of the United States of America)」に、12月３１日（水）（日本時間）に公開されました。