東京工業大学(東工大)と東京大学は、これまで相転移が起きないと考えられてきたスピン液体と常磁性状態との間で、相転移が起きることを新たな数値計算手法を用いた大規模シミュレーションで明らかにしたと発表した。

同成果は、東工大大学院 理工学研究科 物性物理学専攻の那須譲治助教(当時:東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻)、東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻の宇田川将文助教、求幸年准教授らによるもの。詳細は、「Physical Review Letters」のオンライン版に掲載された。

物質は、温度や圧力に応じて固体・液体・気体の3つの状態に変化する。このうち、液体と気体の間には相転移が起きる必要はなく、連続的に移り変わることが可能である。また、磁性体中の電子が持つ微小な磁石であるスピンの向きに関しても、このような3状態を考えることができる。例えば、固体はスピンの向きがそろった強磁性状態に対応し、気体はそれらがランダムな常磁性状態に対応する。一方、液体については、極低温まで固体にならず液体のままであるヘリウムから類推した"量子スピン液体"という概念が提案されているが、その存在や性質は長年の謎とされてきた。

今回、キタエフ模型と呼ばれる理論モデルに対する大規模数値シミュレーションにより、量子スピン液体と常磁性状態の間には常に相転移が存在し、両者は連続的に移り変わることができないことを見出した。これは、従来の相転移理論で説明できない新しい気体—液体転移で、トポロジカルな性質の変化と見なせることを明らかにしたものであるという。研究グループでは、今回の発見が、相転移の不在をもって量子スピン液体を示唆している最近の実験研究の全面的な見直しを促すものであり、トポロジカルな性質を情報処理に利用する量子情報の分野にも大きなインパクトを与えることが期待されるとコメントしている。

上図は物質の3つの状態。通常の物質ではこれらの3状態の間で図に示すような相転移を示す。例として、温度と圧力を変化させたときの"水"の3つの状態の変化の様子が左下図に示されている。ここにある通り、液体と気体の間の蒸発・凝縮現象は必ずしも相転移である必要はなく、両者は連続的に移り変わることが可能である。上図中には、磁性体中の電子スピンにおける3状態も示されている。今回の研究で調べた3次元キタエフ模型では、通常の物質と異なり、液体と気体に対応する量子スピン液体と常磁性状態の間に必ず相転移が存在することを見出した。右下図はその様子を概念的に示している