大阪大学大学院理学研究科附属先端強磁場科学研究センターの萩原政幸教授と同研究科物理学専攻中野岳仁助教、野末泰夫教授らのグループは、東京大学物性研究所中辻知准教授らのグループ、華中科技大学 韓一波(Yibo Han)准教授との共同研究により、銅酸化物において、低温まで電子軌道が凍結せず、量子揺らぎにより揺動した状態を観測し、強磁場下で多周波数にわたる磁気共鳴実験により、その揺らぎの時間スケールを初めて明らかにしました。

物質を構成する電子の持つ多自由度(スピン・軌道・電荷) のうち、スピン自由度)が最低温まで凍結しない『量子スピン液体)』状態の実現は、多数の原子やイオンからなる凝集体（結晶やガラス等）を扱う凝縮系物理学における到達点の一つとされます。金属酸化物の代表的な結晶構造であるペロブスカイト型構造) を有する銅酸化物においては、スピン自由度に加えて軌道自由度)も最低温まで凍結しない『量子スピン軌道液体』実現の可能性が指摘され、良質な試料を使った本グループを含む共同研究から、これまで軌道凍結のサインであるヤーン・テラー歪)が最低温まで生じないことが明らかにされていました。しかしながら、軌道状態のダイナミクスの観測等、量子スピン軌道液体の直接的な証拠はありませんでした。

今後、本研究成果に基づいて、『量子スピン軌道液体』状態を実現する新たな物質のデザインが可能となり、量子コンピュータなど量子情報制御の基盤形成に必要な物質開発にも影響を与えると期待されます。

本研究成果は、2015年 11月16日 (米国東部時間)に、米国物理学会誌「Physical Review B (Rapid Communications) 」のオンライン版で公開されました。

図:軌道液体状態の模式図。青い楕円体が銅の軌道で、赤い楕円体が酸素の軌道を表し、伸び縮みして動いているためにその平均構造を示している。

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