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当研究室では絶対零度近傍における量子凝縮現象（量子スピン液体、超伝導、量子臨界現象など）を中心に研究しようとしています。新しい低温技術・測定技術の開発によって未知の新奇現象の探索をしていこうというのが基本方針です。ここでは現在行っている研究の一部を紹介します。 超低温領域における強相関電子系研究新しい土地を訪れると新しい発見があるように、だれも到達したことのない超低温にはまだ見ぬ新奇現象が隠れている可能性があります。市販の装置で容易に実現できるようになった希釈冷凍機温度（〜２０ｍＫ）よりも下の温度は、ヘリウム以外の物性研究にとってほとんど未踏の温度領域です。我々は特に、重い電子系物質と呼ばれるf電子化合物の超低温物性を研究しようとしています。強相関電子系の中でも、f電子をもつ希土類元素を含む化合物は、f電子が遍歴性と局在性を併せ持ち、多自由度が共存・競合しているという特徴があります。この結果、系の有効的なエネルギースケールが小さくなり低温で他の物質にない特徴的な電子状態が現れます。いままでに異方的超伝導ギャップを持つ超伝導体や多極子秩序状態、非フェルミ液体に代表される量子臨界状態などの様々な状態が見つかっています。一方、小さいエネルギースケールのために、これらの量子状態が現れる温度領域も低く、これまでの希釈冷凍機温度までの研究では発見されていなかった電子状態が隠れている可能性が十分あります。 このような超低温度領域に興味深い物性がありそうな物質群を中心に、物性研の超低温冷凍機とそこでの超低温研究の経験を生かして、強相関電子系における超低温物性測定と技術開発を進めています。現在、
非荷電励起における熱ホール効果金属中を流れる電子に磁場を印可すると、フレミング左手の法則で表されるローレンツ力によってその軌道が曲げられ、電流の向きと磁場の向きの両方に直行する方向に起電力が現れます。ホール効果として知られるこの現象は、金属中の電子に対する基礎物性測定から、スマートフォンの中の磁気センサまで、様々に応用されている現象です。一方、電子と違って格子振動によるフォノンやスピン励起によるマグノン、スピノンといった素励起は電荷をもたないので、磁場をかけてもローレンツ力によるホール効果は現れません。ところが、最近、磁性体中のスピンの集団励起であるマグノンやスピノン、果てはフォノンまでがホール効果を示す可能性がある事がわかりました。こうした非荷電励起は電気を運びませんが熱を運ぶため、このホール効果は熱流と磁場の両方向に対して垂直方向の温度差として現れる「熱ホール効果」として観測されます。 ではどうして、磁場を感じない非荷電励起による熱流が磁場で曲がって熱ホール効果を示すのでしょうか？まだその詳細は解明されていませんが、スピン励起などの電荷中性励起もベリー位相などの量子効果を受けることで有効的な磁場を感じる可能性が考えられています。我々はこの新しい熱ホール効果を精密に測定する事で、スピン励起やフォノン励起に対する熱ホール効果を明らかにする研究を行っています。 これまでに以下のような物質に対する、熱ホール測定による研究を行ってきました。
 （左）金属中を流れる電子が磁場を感じるとローレンツ力によって軌道が曲がる。こうした「通常ホール効果」に加えて、ベリー位相の効果などによる「異常ホール効果」によってもホール効果が現れる。（右）絶縁体中の熱流は電荷をもたないから磁場による「通常ホール効果」は起きないが、ベリー位相による「異常ホール効果」に対応する熱ホール効果が現れる可能性がある。
NMR測定によるスピンや多極子の非自明な秩序の探求強相関電子系や強い量子効果の現われる磁性体を対象とする物性研究では、基底状態（秩序状態）の素性を明らかにすることが重要な課題の一つです。この課題を解決する有効な手段の一つとして核磁気共鳴（NMR）測定が挙げられます。NMRとは、原子核スピンが磁場中で起こす共鳴現象のことです[Fig. 1]。我々はこの現象を利用して、物質の内部に生じる磁場や電場勾配の分布を調べています。物質中に現れるこれらの分布は、電子やスピン、さらには、多極子と呼ばれる電荷や磁荷の異方的な分布の整列状況を反映するため、NMR測定によって得られる情報が、基底状態の解明に重要な役割を担います。
NMR測定によって物質中に発生する内部磁場や電場勾配の情報を最大限に引き出すためには、
が重要です。これらを達成するために、我々は二軸の試料回転機構[Fig. 2 (a)]を利用した角度制御NMR測定を行い、結晶の対称性を考慮してNMR shift (局所帯磁率)テンソルや電場勾配テンソルの解析を行っています。また、高圧技術[1]を利用して、高圧下NMR測定にも取り組んでいます[Fig. 2(b)]。最近、興味を持って取り組んでいる研究として
の研究が挙げられます。
ここでは、圧力下において行なった研究：圧力により引き起こされる磁気相転移について簡単に紹介します。 磁気フラストレーションが現われる系の一つに、最近接格子間の相互作用J1と次近接格子間の相互作用J2が競合するスピン系があります。その典型例が正方格子スピン系です。この系では、辺方向にJ1、 対角線方向にJ2の交換相互作用が働き、反強磁性的なJ1がJ2に比べて十分に強い場合にはチェッカーボード状に反強磁性スピンが配列し、J2が強い場合にはストライプ状にスピンが配列します。J1とJ2を軸としてこの系の基底状態の相図を描いたものが、Fig. 3の内挿図になります。この相図上で興味深いのは磁気秩序相の狭間です。例えば、二種類の反強磁性相の狭間にはいずれの反強磁性とも異なる量子スピン液体相が出現する可能性が提案されており、この相を探索する実験研究が精力的に行なわれています。 我々は、RbMoOPO4Clという物質において、圧力を印加することで二種類の反強磁性相が入れ替わることを発見しました[2]。常圧下でストライプ状の磁気配列(CAF)を示す本物質は、高圧下においてチェッカーボード状の磁気秩序(NAF)を起こします。Fig. 3には、磁気相の入れ替わりを反映する31P核NMRスペクトルの圧力依存性が示されています。この現象は圧力によってJ2とJ1の比が制御されることを示唆しており、Fig. 3 の内挿図に示されるように相を横断することに成功したものと考えられます。今後、圧力により誘起されるこの相転移（入れ替わり）の詳細や相境界の磁性をより詳しく調べることで、正方格子スピン系の量子スピン液体相に関する研究が進展することが期待されます。このように、高圧下という実験手段に制約の課された環境下であってもNMR測定は基底状態の解明に威力を発揮します。
[参考文献]
幾何学的フラストレーション下における量子スピン液体の研究二次元の三角格子の上に反強磁性スピンを並べるとどうなるか？ 一見すごく簡単そうに聞こえるこの質問ですが、実は凝縮物理学における長年の問題の一つです。その原因は三角格子における幾何学的フラストレーションにあります。 幾何学的フラストレーションの効果は下の図にあるように、反強磁性イジングスピンを考えると一番わかりやすいです。 下図(a)のように四角格子ならば何の問題もなく反強磁性スピンを並べることができますが、三角格子(b)やカゴメ格子(c)の場合にはそうはいきません。 実際、イジングスピンの場合には三角形のいづれかの辺が反対向きになれない組み合わせが無数に存在して、絶対零度まで秩序しないことが理論的に知られています。
これを量子力学的ハイゼンベルグスピンにあてはめ、絶対零度まで秩序化しない量子スピン液体が存在すると指摘したのがP.W. Andersonです。下の図の色で塗った部分で示すように、各サイトのスピンはシングレットスピン
こうした二次元における量子スピン液体の研究は長らく理論的なものだけだったのですが、近年の物質開発の進展によって実験的に到達可能な低温まで磁気秩序が見つからない物質群が見つかってきています。 これらの物質ではスピン相互作用の大きさよりも十分低温まで冷やしても磁気秩序が観測されていません。これは通常の磁性体がスピン相互作用の大きさ程度の温度で磁気秩序を示すのとは大きく異なり、幾何学的フラストレーションの効果などによって磁気秩序が抑えられていると考えられています。
このような量子スピン液体状態を安定化させる量子揺らぎを増大させる方法としてこれまでに、�…禺仝気寮こΔ縫好團鵑鯤弔弦�める、��幾何学的フラストレーションでスピン配列を不安定化させるという２種類の手法は広く認知されていました。しかし最近では、スピン以外の自由度（電荷、軌道など）によって量子揺らぎを増大させて、量子スピン液体状態が実現しているのではないかと考えられている物質がいくつか発見されてきています。我々の研究室では、希釈冷凍機温度（~ 20 mK）の温度領域まで熱輸送測定を行うことで、このような新しい量子スピン液体状態を調べようと取り組んでいます。具体的には、
の２つの物質の研究を中心に行っています。 特に、「磁気秩序が無い」などの「・・・が無い」という情報では量子スピン液体を解明することはできません。そこには量子力学的効果による特徴な何かがあるはずです。これを熱伝導率、磁気トルクなどによって解明しようとしています。スピン相互作用の大きさよりも十分低温でなければいけませんから、当然極低温までの測定が必要で、特に我々の研究室ではまだだれも測定していない温度領域まで測定をしたいと考えています。
最近の実験結果：(a)EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2の熱伝導率の測定から絶対零度極限で\( \kappa/T \)の残留が見つかった。これはギャップレスの励起が存在することを示している。 *6 (b)磁気トルク測定からはこのギャップレス励起が磁気的なものであることが見いだされ、重水素置換に対する安定性からEtMe3Sb[Pd(dmit)2]2には量子臨界相が存在することが示唆された。 *7 |
-RuCl
を形成して、複数の空間的にランダムなパターンが量子力学的に重なりあうことで秩序状態よりもエネルギーが下がることを指摘しました。この状態はResonating-valence-bond (RVB) stateと呼ばれ、高温超伝導のメカニズムの候補としても有名です。
