三角格子状の反強磁性体で新奇な磁気励起を観測―分数励起などの新概念の必要性を示唆：東京工業大学/日本原子力研究開発機構/高エネルギー加速器研究機構ほか
(2017年9月8日発表)
東京工業大学、（国）日本原子力研究開発機構、高エネルギー加速器研究機構（KEK）、J-PARCセンター、茨城大学、（一財）総合科学研究機構の研究グループは9月8日、アンチモン酸バリウムコバルトに中性子を照射して散乱スペクトルを解析したところ、通常の磁性体で見られる磁気励起とは大きく異なる新奇な磁気励起を観測したと発表した。
従来の磁気励起の最小単位よりも細かい単位の励起（分数励起）の存在を示唆するもので、磁気励起を統一的に説明する新たな理論の必要性が示されたという。
アンチモン酸バリウムコバルトは、三角格子反強磁性体と呼ばれる物質で、コバルト原子が三角形の格子状に並んでいて、隣り合うスピン間に反強磁性的な交換相互作用が働く。どれか2つのスピンを反平行に置くと残りのスピンは安定な位置が決まらず、いわゆるフラストレーションになるという特性がある。
この物質のエネルギーが最も低い安定な基底状態については半世紀ほど前から理論研究が進んでいるが、エネルギーの高い励起状態の解明は難しく、理論的なコンセンサスはごく限られていた。
研究グループはアンチモン酸バリウムコバルトの大型単結晶試料を作成し、J-PARCの物質・生命科学実験施設にある分光装置を利用して中性子散乱実験を行った。中性子散乱は広い波長領域とエネルギー領域の磁気励起を調べる唯一の実験手段。
その結果、鮮明な励起スペクトルが得られ、理論予想とは異なる3段構造の励起スペクトルを取得した。なかでも特徴的なのは2段目と3段目を構成する強い連続的な励起で、このような励起が現れる1つの可能性として、分数スピン（1/2、1/3、1/4…）を持った励起の合成によって全体の磁気励起が構成されていることが考えられるという。
多くの磁性体の磁気励起はスピン波で表されることが知られているが、今回の研究により、フラストレーションと量子効果が強い三角格子反強磁性体の磁気励起はスピン波では説明できず、“分数スピン励起”などの新しい磁気励起の概念が必要であることが分かったとしている。
