磁性体の「量子スピン液体」に新現象―磁気冷凍の新技術に応用も：物質・材料研究機構ほか
(2018年4月23日発表)
（国）物質・材料研究機構と東京大学は4月23日、磁性体の新奇な磁気状態として注目されている「量子スピン液体」で新現象を発見したと発表した。極低温下で電子の磁石としての性質「スピン」と結晶格子の相互作用が極めて弱くなり、エネルギー交換ができない状態になっていた。量子スピン液体になる有機物の比熱や磁化率、熱伝導率などの統一的な理解や、新しい磁気冷凍技術の確立などにつながるという。
身近にある磁性体では、原子核の周りにある電子のスピンが高温ではバラバラな方向（スピンの液体状態）なのに、冷却すると一方向にそろって整列（スピンの固体状態）する。ところが近年、極低温まで冷却してもスピンがそろわない不思議な状態「量子スピン液体」が見つかった。
今回、発見したのは有機物質「κ-(BEDT-TTF）2Cu2(CN)3」の単結晶が量子スピン液体になった状態で起きた新現象。この単結晶は三角形の格子状に有機分子が配列しているが、三角形の格子点にある有機分子のうち二つの電子スピンの方向を決めると残りの一つはス
ピンの向きが定まらず、そうした性質が量子スピン液体の実現に重要な役割を果たしていると考えられている。
研究チームはこの有機物質の単結晶を作り、0.1K（ケルビン、約－273℃）という極低温下で17T（テスラ、磁場の強さの単位）までの強磁場をかけたとき、単結晶の温度がどう変化するかという磁気熱量効果を測定した。その結果、温度の低下および磁場の増加に伴って単結晶内を伝わる熱の流れの速さ「熱緩和時間」が急激に長くなることが分かった。
この結果について、研究チームは「量子スピン液体状態において電子スピン系と格子系の相互作用が極めて弱くなっている」として、スピンが格子から孤立してエネルギーをやり取りできない「スピン－格子デカップリング現象」が起きているとみている。詳しいメカニズムは不明なため、今後さらに解明を続ける。
