大阪府立大学は11月24日、分子の設計性を利用した新しいタイプの錯体化合物を合成し、磁気ネットワークに乱れを導入することで生じる電子スピンが絶対零度においても凍結しない、量子スピン液体状態を実現したことを発表した。

大阪府立大学 大学院理学系研究科の山口博則 准教授、細越裕子 教授、および東京大学 物性研究所の河野洋平 研究員、橘高俊一郎 助教、榊原俊郎 教授らの研究グループによるもの。詳細は、英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

ランダムシングレットの概念図 (出所:大阪府立大学Webサイト)

磁性体においてその磁性を担っている電子スピンが絶対零度においても凍結しない量子スピン液体の実現は、近年の物性化学における到達目標の1つとされている。これまでにその候補物質として報告されてきたものでは、スピンが時間的にも空間的にも揺らいで量子スピン液体を形成していると考えられてきた。

しかし、最近の理論研究によって、物質中での偶発的な乱れから生じる、ランダムシングレットと呼ばれる特異な量子状態が、量子スピン液体の本質である可能性が指摘されていた。そこで、同研究グループは、分子の設計性を活用した物質デザインにより、磁性体に意図的に乱れを導入することで、ランダムシングレットの実証を試みた。

同実験では、まず有機ラジカルを金属原子に配位させた分子性の金属錯体を合成した。金属原子に配位させることでラジカルの分子内回転自由度を消失させて、2種類の異性体を作り出している。これによって結晶中では2種類の分子がランダムに配列することになり、分子のつながりから成る磁気ネットワークの結合の強さにも乱れが出現する。次に低温での物性を調査した結果、磁化率、磁化曲線、比熱のすべての実験結果において、量子スピン液体の実現を示唆する振る舞いが観測された。

研究グループは同成果に関して、これまでに量子スピン液体として報告されていた物質の本質が、乱れによるランダムシングレットである可能性を示唆する結果であるとし、今後の量子物性を取り込んだ磁性材料の開発に新たな可能性をもたらす知見となると説明している。