大型放射光施設 SPring-8

公開日

2015年07月14日

2015年7月14日
名古屋大学
東京大学
大阪大学

【ポイント】
•ペロブスカイト型銅酸化物6H-Ba₃CuSb₂O₉において，エネルギー的に最も安定とされる軌道自由度凍結が生じないことを実験的に明らかにした。
•超伝導や超流動に比類する『量子スピン軌道液体』という新しい量子液体研究の実現に道を拓いた。
•『量子スピン軌道液体』状態を実現する新たな物質デザインの指針を与えるとともに、量子コンピュータなど、量子情報の制御の基盤形成に必要な物質開発に影響を与えると期待される。

【背景】
　1973年にP.W. Andersonによって電子の持つスピン自由度が最低温まで秩序化しない『量子スピン液体』の概念が提案されて以降、実際の物質例を求めた開発研究が日夜行われています。我々のグループでは、スピンに加えて軌道にも自由度があるペロブスカイト型銅酸化物6H-Ba₃CuSb₂O₉において、スピンと軌道が絡み合った新しい量子液体状態『量子スピン軌道液体』状態が実現している可能性を見出し、2012年に論文報告を行いました（Science 336 (2012) 559.）。しかし、当時は純良な大型単結晶が得られておらず、低温での軌道状態を解明することが出来ていなかったため、『量子スピン軌道液体』の実現は可能性の一つに留まっていました。特に、軌道の液体状態は温度に換算して数千度のエネルギー利得を放棄していることになるため物議を醸していました。従って、『量子スピン軌道液体』の実在を証明し、新たな研究の一分野を確立するために、大型単結晶を利用した低温での軌道状態の観測実験が必要とされていました。

【研究の内容】
　軌道自由度は格子系と結合しやすく、低温で軌道自由度が生き残っているか否かは軌道の秩序化に伴う格子の歪み（ヤーン・テラー歪み）の有無を実験的に観測することで判断できます。大型単結晶の育成法を確立し、得られた単結晶試料を用いて放射光X線回折法、電子スピン共鳴（ESR）、ラマン分光法、超音波測定法という種々の実験手法を併用した多角的な構造研究を行いました。結晶全体を見渡すマクロな視点、局所構造を詳しく調べるミクロな視点、それぞれの視点から構造の対称性を徹底的に調べ、極低温までヤーン・テラー歪みが生じていないことを明らかにしました。

【成果の意義】
　極低温まで軌道自由度が凍結しないことが明らかになり、『量子スピン軌道液体』状態の実現を疑問視するすべての可能性が取り払われ、本成果をもって、『量子スピン軌道液体』研究の舞台が整いました。本研究の成果を基盤として、単結晶を利用した物性研究が進行し、スピン自由度と絡み合った軌道のダイナミクスなど、この新しい量子液体状態を特徴づける様々な物理現象が見出されていくと期待されます。

図表

《用語解説》
注1）ヤーン・テラー歪：
　固体中の陽イオンが電子エネルギーを下げるために、周囲の陰イオンの配置の対称性を自発的に破り低対称化する現象のこと。本研究で扱った銅(II)イオンはヤーン・テラー歪みを引き起こす性質を持つヤーン・テラーイオンの典型例として知られている。

注2）量子スピン液体：
　磁性を担うイオンに束縛された各電子のスピンの向きが、時間的にも空間的にも一定の方向に留まらず、揺らいでいる状態がスピン液体と呼ばれている。特に量子揺らぎのためにスピンが固体にならず、絶対零度まで液体である場合、量子スピン液体と呼ばれる。

注3）ペロブスカイト型構造：
　一般式ABO₃で表される元素組成を持つ、金属酸化物の代表的な結晶構造。本研究で扱った6H-Ba₃CuSb₂O₉は上記組成式にならってBa(Cu_1/3Sb_2/3)O₃と書き改めることが出来る。6H-Ba₃CuSb₂O₉はCuO₆八面体とSbO₆八面体が面共有で連結されたCuSbO₉ユニットと、孤立したSbO₆八面体が頂点共有でネットワーク構造を形成した六方晶複合ペロブスカイトに分類される。

注4）大型放射光施設SPring-8：
　兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高エネルギーの放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転管理と利用者支援などは高輝度光化学研究センター（JASRI）が行っている」。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。