理化学研究所と原子力機構、電子スピンから分化したＮ極とＳ極のヒッグス転移を磁性体で観測

電子スピンから分化したＮ極とＳ極のヒッグス転移を磁性体で観測
−磁荷を損失なく運ぶ新しいスピントロニクスの可能性を示唆−



◇ポイント◇
　絶対温度０．２１度で磁性体Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７が強磁性状態へ転移する様子を観測
　転移温度より高温の常磁性状態では、電子スピンのＮ極とＳ極が分化
　転移温度より低温の強磁性状態では、分化したＮ極とＳ極の超伝導状態を示唆


　理化学研究所（野依良治理事長）と日本原子力研究開発機構（鈴木篤之理事長）は、磁性体Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７を絶対温度（※１）０．３度まで冷却すると、電子スピンのＮ極とＳ極が分化する証拠の一端を見いだしました。さらに低温の絶対温度０．２１度まで冷却すると、Ｎ極とＳ極の一種の超伝導を示唆する強磁性状態に相転移する様子も観測しました。この相転移は、スピンの単極子のヒッグス転移（※２）として理解できます。これは、理研基幹研究所（玉尾皓平所長）古崎物性理論研究室の小野田繁樹専任研究員、日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門のリージェン・チャン研究員（現・台湾成功大学物理学科講師）、ドイツユーリッヒ総合研究機構中性子科学センターのイシ・スー研究員、名古屋大学理学部物理学科の安井幸夫助教（現・明治大学理工学部准教授）らの研究グループによる成果です。

　電子は、地球の自転に似た回転（スピン）運動を行い、小さな磁石としての性質を持ちます。通常の磁性体が極低温になると、これら多数のスピンは一定方向にそろって磁気秩序を示します。この場合、スピンの単極子であるＮ極とＳ極は、電荷の単極子（＋と−）と違って不可分です。しかし、スピンアイス（※３）と呼ばれる磁性体では、極低温でも磁気秩序が生じません。スピンアイスでは、電子スピンのＮ極とＳ極が分化して振る舞い、やがて消滅します。一方、２０１０年〜２０１２年、理研の小野田専任研究員らは、量子スピンアイス（※４）と呼ばれる磁性体の存在を理論的に予測し、そこでは単極子がボーズ−アインシュタイン凝縮（※５）を起こして磁気秩序を示す場合があることを導きました。このとき、単極子は仮想的な電磁場（ゲージ場）と結合するため、ヒッグス機構（※２）により有限の励起エネルギー（質量）を持ち、電荷をスピン単極子に見立てた超伝導状態と同様な磁気秩序を作り出すことが理論的に予測されます。

　研究グループは、量子スピンアイスの性質を持つ磁性体Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７を極低温まで冷却し、絶対温度０．２１度で、Ｎ極とＳ極が分化した状態から、ボーズ−アインシュタイン凝縮した強磁性状態に相転移する現象を観測しました。これにより、スピン単極子がヒッグス転移する証拠の一端を得たことになります。

　電流を産業応用に利用するエレクトロニクスでは、電荷がボーズ−アインシュタイン凝縮する超伝導が有用です。今回発見したスピン単極子の凝縮は、磁性体の磁化の制御を利用するスピントロ二クスにおいて超伝導に似た役割を果たすと期待され、基礎と応用の両面で重要な知見となります。

　本研究成果は、英国のオンライン科学雑誌『Ｎａｔｕｒｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ』（８月７日号：日本時間８月８日）に掲載されます。


１．背景
　電流を流さない多くの磁性体では、結晶中のイオンのまわりの電子が、回転（スピン）することによって極めて小さな磁石を形成します。それら多数のスピンは通常、低温で互いに同じ向きにそろった強磁性、または、反対方向に向いて打ち消し合う反強磁性など、一定方向にそろって磁気秩序（対称性の自発的な破れ）を示すようになります。しかし、スピンアイスと呼ばれる物質Ｄｙ２Ｔｉ２Ｏ７やＨｏ２Ｔｉ２Ｏ７の場合のように、以下に示すような幾何学的フラストレーションが存在すると、磁気秩序の形成が抑制されることがあります。

　スピンアイスでは、２つの正四面体が１つの頂点を共有してつながったパイロクロア格子構造をとり、各格子点に電子スピンが局在しています（図１左）。そして、各スピンの取り得る向きは、周囲のイオンや電子との相互作用のために、パイロクロア格子構造の構成単位である正四面体の中心向き（ｉｎ）か、外向き（ｏｕｔ）かのいずれかに強く束縛されています。隣り合う２つのスピンは、相互作用のために極低温でｉｎとｏｕｔの対（図１右、黒線）を作ろうとします。ところが、正四面体上のすべての隣り合うスピン対でこれを満たすことは不可能で、フラストレーションが生じます。妥協策として、各正四面体上の４スピンのうち、２つが内向き、残り２つが外向きの、アイス則と呼ばれる最も安定した２−ｉｎ，２−ｏｕｔ構造を取ろうとします（図１右の上段）。しかし、アイス則を結晶全体で満たすスピン構造には膨大な場合の数があるため、極低温でも磁気秩序を形成することが困難になります。このアイス則状態から１つの電子スピンの向きを反転すると、不安定な３−ｉｎ，１−ｏｕｔ構造と１−ｉｎ，３−ｏｕｔ構造の正四面体の対が生じ、それぞれ中心にＮ極とＳ極が発生します（図１右の中段）。このＮ極とＳ極は、電子スピンから分化した磁化の単極子として認識されてきましたが、スピンアイスでは不安定にしか存在できず、結局消滅してしまいます。

　一方、２０１０〜２０１２年、理研の小野田専任研究員らは、Ｐｒ２Ｚｒ２Ｏ７やＹｂ２Ｔｉ２Ｏ７などの磁性体に対して、単極子が量子力学に従って運動する「量子スピンアイス」と呼ばれる理論模型を導きました。この模型では、単極子がボーズ−アインシュタイン凝縮を起こすことによって、各スピンの向きがｉｎやｏｕｔの向きから傾いた磁気秩序を形成する場合があることを示しました。研究グループは、この量子スピンアイスとしての性質を示す磁性体Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７を冷却し、単極子が分化しただけの不安定な状態から、凝縮して安定に分布する状態へ転移する様子の観測に挑みました。


２．研究手法と成果
　研究グループは、Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７の良質な単結晶に、一定方向にスピンの向きをそろえた中性子ビームを入射させ、その散乱の様子から結晶内の電子スピンの状態を詳細に解析しました。まず、絶対温度０．３度で、中性子が散乱された強度を指標として、電子スピン間の相関を測定しました（図２左）。その結果は、量子スピンアイス模型に基づいた理論計算（図２中）と極めて良く一致しました。特に、通常の磁性体が転移温度近傍で示す同心円状の構造（図２右）とは大きく異なり、散乱強度が一定方向に強く依存した尾根のような構造を示しました。これらの結果は、Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７の転移温度のやや高温側では、Ｎ極とＳ極が分化したように振る舞っていることを示唆しています。また、絶対温度０．２１度以下では、磁気秩序の形成を示す散乱を観測し、さらに、入射した中性子のスピンがランダムになったことから、Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７が強磁性体になったことを確認しました。転移温度より十分に低温の絶対温度０．０３度になると、秩序をもった各電子スピンの向きは、スピンアイスで許される電子スピンの向き（ｉｎとｏｕｔ）から大きく傾いていました。この絶対温度０．０３度でのスピンの秩序に関する実験結果は、量子スピンアイス模型における絶対零度での理論計算結果と一致することを確認しました。以上の結果は、電荷を帯びた粒子に働く力（クーロン力）と同様な力が単極子に作用する「磁気クーロン液体」から、量子力学に従って単極子がボーズ−アインシュタイン凝縮した強磁性相（ヒッグス相）に相転移したことを意味します（図３）。


３．今後の期待
　金属の電気抵抗がゼロになる超伝導現象は応用にも用いられ、転移温度を室温付近まで上昇させることが期待されています。今回見いだした量子スピンアイスにおける強磁性は、磁化の制御をデバイスに利用するスピントロニクスにおいて、磁荷やスピン流を損失なく流すことが可能な物質状態として期待されます。今後、より室温に近い温度でヒッグス転移を示す量子スピンアイス物質が開発されると、革新的な産業技術の展開に貢献します。


［原論文情報］
　Ｌｉｅｈ−Ｊｅｎｇ　Ｃｈａｎｇ，Ｓｈｉｇｅｋｉ　Ｏｎｏｄａ，Ｙｉｘｉ　Ｓｕ，Ｙｉｎｇ−Ｊｅｒ　Ｋａｏ，Ｋｕ−Ｄｉｎｇ　Ｔｓｕｅｉ，Ｙｕｋｉｏ　Ｙａｓｕｉ，Ｋａｚｕｈｉｓａ　Ｋａｋｕｒａｉ，Ｍａｒｔｉｎ　Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｌｅｅｓ．“Ｈｉｇｇｓ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ａ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｏｕｌｏｍｂ　ｌｉｑｕｉｄ　ｔｏ　ａ　ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ　ｉｎ　Ｙｂ２Ｔｉ２Ｏ７”．Ｎａｔｕｒｅ　Ｃｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，３：９９２（２０１２），ｄｏｉ：１０．１０３８／ｎｃｏｍｍｓ１９８９


　＊補足説明（注釈・図）は添付の関連資料を参照