東大、磁気モノポールの量子ダイナミクスを発見

磁気モノポールの量子ダイナミクスの発見


１．発表者：
　木村健太（日本学術振興会特別研究員　現・大阪大学大学院基礎工学研究科　助教）
　中辻　知（東京大学物性研究所　准教授）
　Jiajia　Wen（Johns　Hopkins　University，Ph．D．Student）
　Collin　Broholm（Johns　Hopkins　University，Professor）
　Matthew　Stone（Oak　Ridge　National　Laboratory，Instrument　Scientist）
　西堀英治（名古屋大学　大学院工学研究科　マテリアル理工学専攻　准教授　現・理化学研究所RSC−リガク連携センター連携センター長）
　澤　博（名古屋大学　大学院工学研究科　マテリアル理工学専攻　教授）


２．発表ポイント：
　◆スピンアイスと呼ばれる磁性体において、磁気モノポールの量子ダイナミクスを発見した。
　◆今回発見した磁気モノポールは、熱拡散的なランダム運動を行う従来型スピンアイスのモノポールとは異なり、量子力学のルールに従ってコヒーレントに運動する新しい磁気モノポールである。
　◆電流を必要とせずにスピン情報の輸送が可能であり熱の損失が生じないため、より省エネルギーなスピントロニクスへの応用が期待される。


３．発表概要：
　電子は“スピン”と呼ばれる微小な磁石としての性質を有しており、その性質を活かした“スピントロニクス”が次世代デバイスのキーテクノロジーとして注目を集めています。このスピンは、必ずS極とN極がペア（磁気双極子）を形成していることが古くから知られてきましたが、近年、スピンアイスと呼ばれる特殊な磁性体において、熱揺らぎの効果としてN極またはS極のどちらかのみを持つ磁石（磁気モノポール）として振る舞うことが理論と実験の両面から明らかになってきました。この磁気モノポールは、電流を必要とせずにスピンを運ぶことが出来るため、それを自在に制御できればより低損失なスピントロニクスの構築に繋がると考えられます。しかし、この磁気モノポールの運動は熱拡散的でランダムであり、その制御は困難と考えられてきました。
　今回、東京大学物性研究所（所長　瀧川仁）の中辻　知准教授を中心とする研究グループは、名古屋大学、ジョンズ・ホプキンス大学、オークリッジ国立研究所と共同で、スピンアイス関連物質のPr2Zr2O7（＊）という新しい磁性体において、磁気モノポールが半導体中の電子のように量子力学的運動（注１）を行うことを見出しました。これは、磁気モノポールの持つN極、S極の情報を無散逸に伝送できることを意味しています。さらに、こうした量子力学的運動は特定の法則に従うため、この法則を解き明かすことで磁気モノポールを自在に制御できるようになると考えられます。本研究では、磁気モノポールを利用した省エネルギーのスピントロニクスの可能性を実験的に提示することに成功しました。この成果は、スピンのナノ立体構造の制御による新しい不揮発性メモリ材料の開発等に新たな指針を与えると期待されます。
　本研究成果は、JST戦略的創造研究推進事業さきがけの一環として行われ、２０１３年６月１７日（英国時間）の英国科学誌『Nature　Communications』オンライン版で掲載されました。

　＊「Pr2Zr2O7」の正式表記は添付の関連資料「オリジナルリリース」を参照


４．発表内容：
（１）研究の背景と経緯
　現代社会を支える半導体エレクトロニクスは、電子の持つ“電荷”という属性を巧妙に操ることで実現しています。一方、電子は“スピン”と呼ばれる微小な磁石としての性質も兼ね備えており、その性質を活かした“スピントロニクス”が次世代デバイスのキーテクノロジーとして注目を集めています。このスピンは、必ずS極とN極がペア（磁気双極子）を形成していることが古くから知られてきましたが、２１世紀に入り、パイロクロア構造（注２）を持つスピンアイスと呼ばれる磁性体（注３）において、スピンの熱励起があたかもN極とS極のみを持つ磁石、すなわち磁気モノポール（注４）のように振る舞うことが明らかになってきました。この磁気モノポールは、固体における新種の素励起であるだけでなく、高エネルギー物理におけるモノポールとの関連からも、大きな学問的関心が寄せられてきました（注５）。さらに、応用的な立場からも、従来のスピントロニクスで課題となっていたスピン輸送に伴う熱の損失が、電流を必要とせずにスピンを運ぶという磁気モノポールの性質により発生しないため、より低損失なスピントロニクスの構築に繋がると考えられます。しかし、従来型のスピンアイスでは、磁気モノポールの運動はランダムであり、その制御は困難と考えられてきました。こうした背景から、モノポールの運動を規定するミクロなルールを内包する新しいスピンアイス物質の発見が強く望まれてきました。

（２）研究内容
　東京大学物性研究所・中辻　知准教授を中心とする研究グループは、これまで、スピンのナノ立体構造を制御することで現れる新しい量子現象、特にメモリ効果を伴う量子伝導効果の研究を進めてきました。そのなかで、パイロクロア磁性体Pr2Ir2O7（＊）の磁性を担う３価のプラセオジウムイオン（Pr3＋（＊））がアイスルールに従うスピン配列を示すこと、さらには、従来型スピンアイスには無いスピンの量子的な揺らぎにより、不揮発メモリ効果を持つホール効果を発現することを見出してきました。ごく最近の理論は、量子揺らぎによりモノポールが電子のように量子力学的運動をすることを予言しています。Pr2Ir2O7はこの予言を検証する良い候補物質と言えますが、精密な物性測定に必要な大型単結晶が得難いという問題を抱えていました。そこで本研究では、Pr2Zr2O7という新しいPrベースのパイロクロア磁性体に着目し、２０００度を超える超高温環境を作り出すことにより大型の人工単結晶の合成に成功しました。そして、この単結晶を特殊な冷凍機を用いて絶対零度近傍まで冷却し、磁気的な性質を詳細に調べました。

　＊「Pr2Zr2O7」と「Pr3＋」の正式表記は添付の関連資料「オリジナルリリース」を参照


　その結果、磁性を担うPrイオンは、従来型スピンアイスと同様に正四面体の内側と外側のいずれかを向くイジング的磁気モーメント（スピン）を持つことが分かりました。また、外部振動磁場に対するスピンの振る舞いも従来型スピンアイスと良く似ており、その温度依存性は磁気モノポール密度の温度変化という観点で説明できます。こうした結果を踏まえて、より詳細かつ直接的にスピンの性質を検出するため、ジョンズ・ホプキンス大学（米国）ブロホルム教授グループとの共同研究により絶対零度近傍での中性子散乱実験を行いました（図４）。この測定では、スピン集団の時間平均的な配列情報（弾性散乱）と集団運動の様子（非弾性散乱）を得ることができます。測定の結果、Pr2Zr2O7のスピンは、スピンアイスで期待されるアイスルール（注３）と呼ばれる規則に従って配列していることが分かりました（図４A）。大変興味深いことに、従来型スピンアイスとは異なり、Pr2Zr2O7のスピンは絶対零度低温近傍にも関わらず凍結せず、量子的に揺らいでいることを突き止めました。さらに、励起状態ではアイスルールが破れており、磁気モノポールが存在していることを見出しました（図４B）。以上から、励起状態におけるモノポールは、量子揺らぎを駆動力としたコヒーレントな集団運動を行っていると考えられます。今回の発見は、東京大学物性研究所、名古屋大学、ジョンズホプキンス大学、米国オークリッジ国立研究所の共同研究によるもので、２０１３年６月１７日（英国時間）の英国科学誌『Nature　Communications』オンライン版に掲載されます。

　なお、本研究は、JST戦略的創造研究推進事業　個人型研究（さきがけ）の「新物質科学と元素戦略」研究領域（研究総括：細野　秀雄　東京工業大学　フロンティア研究センター／応用セラミックス研究所　教授）における研究課題「スピンのナノ立体構造制御による革新的電子機能物質の創製」（研究代表者：中辻　知）の一環として行われました。

（３）今後の展開
　今回、Pr2Zr2O7という新しい磁性体を用いて、マイナス２７３度という絶対零度近傍において磁気モノポールがコヒーレントな量子運動を行うことを突き止めました。これは、磁気モノポールの持つN極、S極の情報を無散逸に伝送できることを意味しています。このモノポールは、熱拡散的なランダムな運動を行う従来型スピンアイスのモノポールとは異なり量子力学のルールに従って運動するため、その運動法則を解き明かすことで自在に制御することが可能と考えられます。今後は、量子モノポールの詳細を明らかにするために、伝達距離や伝達速度、さらには、磁場などの外部刺激に対する応答を精密に調べる必要があります。量子モノポールの形成メカニズムと制御方法が解明できれば、磁気モノポールを利用したスピントロニクスの可能性が拓けます。さらに、今回の成果は、東京大学物性研究所・中辻　知准教授を中心とする研究グループが以前発見した姉妹物質Pr2Ir2O7における省エネルギー不揮発メモリ効果を持つホール効果を解明するうえでも、さらには、それを発展させたスピンのナノ立体構造の制御による新しいホール効果の発現機構の解明をするためにも重要な知見を与えるものと期待されます。


　※以下、リリース詳細は添付の関連資料「オリジナルリリース」を参照


※添付資料は添付の関連資料を参照