東京大学(東大)と東北大学の両者は3月17日、磁場の角度によって比熱がどのように変化するかを測定することで、ハニカム(蜂の巣)格子を持つコバルト酸化物磁性絶縁体「Na2Co2TeO6」(NCTO)のスピン状態の詳細を解明したと共同で発表した。

同成果は、東大大学院 新領域創成科学研究科のファン・センジェー大学院生、同・今村薫平大学院生、同・水上雄太助教(現・東北大大学院 理学研究科 准教授)、同・難波隆一大学院生(研究当時)、同・石原滉大助教、同・橋本顕一郎准教授、同・芝内孝禎教授らの研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

一般的に物質中のスピンは、極低温において同じ向きや互い違い(隣り合うスピンが反対)の向きに整列し、特定の磁気秩序を示す。一方で、スピンに量子力学的な揺らぎが強く働く場合、極低温であってもスピンの秩序が形成されないことがある。このように、量子力学的な効果に起因してスピンの自由度が固定しない、あたかも液体のような状態であることから「量子スピン液体」と呼ばれている。

  • 量子スピン液体のイメージ

    量子スピン液体のイメージ。量子スピン液体状態では、磁場の方向(オレンジ矢印)を変えた時の比熱が特異的に変化する(出所:東大Webサイト)

量子スピン液体は理論・実験両方面から活発に研究されており、さまざまな理論モデルが存在する。その代表的なものとして「キタエフ・スピン液体」が挙げられる。これは従来の量子スピン液体に比べ、理論的に厳密に扱うことができることに加え、次世代の「トポロジカル量子コンピュータ」への応用が期待されている。その背景には、粒子と反粒子が同一となる特別な性質を持つ「マヨラナ粒子」という特殊な準粒子の存在がある。トポロジカル量子コンピュータとは、従来の量子コンピュータとは異なる物理系を用いて量子計算を行うものであり、外乱に対して強いトポロジカルな性質を利用することで、周囲の環境変化に強く、本質的にエラーを起こしにくいと期待されている。

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