東北大など、パーコレーション理論の予測と一致する相転移を物理的に実証

東北大学、佐賀大学、筑波大学、日本原子力研究開発機構(JAEA)、九州大学(九大)、理化学研究所(理研)、J-PARCセンターの7者は11月28日、カゴメ格子状の新しい量子磁性体を合成し、これまで未観測の静的な「短距離磁気秩序」を発見し、同磁性体において相転移に関する普遍的な理論として知られる「パーコレーション理論」の予測と一致する「相転移」を物理的に実証することに成功したと発表した。

同成果は、東北大大学院 工学研究科の鄭旭光特任教授(佐賀大 理工学部教授)、佐賀大 理工学部の山内一宏准教授、東北大大学院　工学研究科の徐超男教授、同・内山智貴助教、同・陳迎教授、JAEAの萩原雅人研究員、筑波大 数理物質系の西堀英治教授、九大大学院 工学研究院の河江達也准教授、理研 仁科加速器科学研究センターの渡邊功雄専任研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

物質の相転移とは、温度や圧力などの条件の変化により、物質が異なる物理的状態に移行する現象全般を指す。最もよく知られた例が、温度変化で物質が固体・液体・気体に変化すること。そして同現象に関する普遍的な理論として、多くの分野で応用されているのが、スポンジへの水の浸透や、伝染病の感染などの普遍現象を単純化した数学的モデルであるパーコレーション理論だ。同理論は、浸透率や感染率(確率)などに応じて、ある値を境に様相が一変するという臨界現象が起きることから、その臨界確率やしきい値がどれほどなのかという問題を考えたものである。

代表的な相転移の1つである「磁気転移」は、温度変化で物質中のスピンが整列し、秩序を持った状態に移行することを指す。量子コンピュータや省電力ストレージなどにとって重要だが、パーコレーション理論の有効性については、従来の単純モデルを用いた数値計算により検証されているのみで、物理学的な実証が未達成だったとする。そこで研究チームは今回、新規の結晶構造を持つ磁性体「Cu₄(OH)₆Cl₂」を合成して詳細に調べたという。

その結果、同磁性体は従来にない特異な磁気的性質を示すことが発見されたとのこと。同磁性体は、磁気秩序を形成するスピンが、原子などが籠の目のように並ぶカゴメ格子という幾何学的に配置を取り、低温になるとスピンが整然とした「長距離秩序」を形成する。