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Aug 26, 2023

三角格子磁石における量子の乱れた基底状態の観察

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2023年5月25日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Phys.org

三角格子を有する磁性材料は、スピン液体状態を示す可能性があると理論的に予測されているため、多くの研究の焦点となってきました。 これらは、量子もつれや分数励起などの興味深い特性を示す物質の量子相です。

三角格子を有する材料のこれらの魅力的な相を観察することを目的とした多くの実験的取り組みが行われてきましたが、これまでのところ、これは非常に困難であることが判明しています。 この主な理由は、これらの材料における弱いスピン軌道結合やその他の摂動により、通常、従来のスピン凍結または磁性状態が生じるためです。

カリフォルニア大学ボストンカレッジ、オークリッジ国立研究所、国立標準技術研究所の研究者らは最近、三角格子磁石NaRuO2に量子不規則な基底状態を生成することに成功した。 Nature Physics に掲載された彼らの発見は、この状態が磁性材料におけるスピン軌道結合と相関効果の間の協調的な相互作用によって可能になったことを示唆しています。

「私たちは長い間三角格子を研究し、いわゆる量子の無秩序な基底状態をホストする物質を探してきました」と、研究を行った研究者の一人であるスティーブン・D・ウィルソン氏はPhys.orgに語った。 「これらは、エッジを共有する三角形のネットワーク内に位置する各原子の磁気モーメントが、絶対零度であっても秩序を保てないか、所定の位置に固定されない状態です。この秩序の喪失は、名目上、モーメントを連続的にスクランブルする量子ゆらぎによるものです」そして、新しい、本質的に無秩序な動的な磁性基底状態を定義するのに役立ちます。」

材料の量子基底状態を実現する 1 つのアプローチには、個々の電子の軌道自由度をスピン自由度にもつれさせる効果的な戦略を特定することが含まれます。 これは、最終的には、たとえば化合物にルテニウム (Ru) を含めるなど、さまざまな元素を注意深く組み合わせることで達成できます。これはチームの NaRuO2 サンプルにも含まれていました。

「大きな課題は、私たちが興味を持っていた材料である NaRuO2 をきれいに作ることでした」とウィルソン氏は説明しました。 「量子磁気の領域で何が起こっているのかを実際にテストするには、化学不純物のような外部要因を可能な限り除去する必要があります。十分な品質のNaruO2を作成したら、実行できる実験がいくつかありましたが、それらはすべて何が起こっているのかという物理学をもう少し明らかにします。言い換えれば、複雑な物質の全体像を形成するには、いくつかの異なるウィンドウが必要です。」

きれいな NaRuO2 サンプルであることに気づいた後、ウィルソンと彼の同僚は、その基礎となる物理学をより深く理解するために一連のテストと実験を実施しました。 彼らはまず、基本的なバルク特性評価方法、たとえば非常に低い温度までの磁化率と熱容量を測定して、それを検査しました。

「非弾性中性子散乱やミューオンスピン緩和測定など、より高度な実験も実施しました」とウィルソン氏は語った。 「これらの探査機はすべて、NaRuO2 の磁気モーメントが基底状態に向かって冷却する際にどのような影響を与えるかについて、それぞれ異なる長さと時間スケールで少し教えてくれます。集合写真から、磁気モーメントが秩序を保てず、代わりに次のように変動していることがわかります。本来の温度よりもはるかに低い温度まで冷却すると、量子の乱れた基底状態の絵を描き始めることができます。」

ウィルソンらによって行われた実験では、注意深く設計された NaRuO2 サンプルが本質的に変動する磁気基底状態を示すことが示されました。 低温では、材料内のスピン励起により、その熱容量において金属のような項が生成され、中性子散乱において一連の連続励起が生成されました。これは、三角格子を有する磁石で以前に観察されたスピン液体状態に関連するものに似ていました。

「私たちの研究は、スピン軌道で絡み合った遷移金属イオン（例えばRu）から構築された三角格子が非常に興味深いものになり得ることを示しています。そして最も重要なことは、従来の磁気秩序を不安定にするために必要な異方性相互作用が実際の材料で実現できることです」とウィルソン氏は述べた。 「NaRuO2の場合のように、磁気交換結合の強さが名目上非常に強い材料でもこのようなことが起こり得ることを我々は示しました。」

最近の理論研究では、NaRuO2 は厳密な強磁性領域であると考えられています。これは、材料内の主要な相互作用によってすべてのモーメントが互いに平行になるはずであることを意味します。 強磁性を検出するのは非常に簡単ですが、ウィルソンと彼の同僚が収集した発見は、強磁性は存在せず、この化合物の内部で何か別のことが起こっていることを示唆しています。

将来的には、新しい研究がこの魅力的な三角格子磁石の物理学をより深く理解するのに役立ち、この謎の解決に役立つ可能性があります。 さらに、この研究者チームによる最近の研究は、三角格子を備えた他の磁石の量子スピン液体状態の観察を目的とした新たな研究に刺激を与える可能性がある。

「私たちの次のステップは、この材料の単結晶の製造を試みることです」とウィルソン氏は付け加えた。 「その固有の異方性を調査できれば、この珍しい物質を動かす物理学についてさらに多くの情報を得ることができ、単結晶が得られれば他の実験も可能になります。次の大きな問題は、NaRuO2 がどのような種類の量子不規則磁気状態を形成するかです。理想的には、状態がどのような状態ではないかを単に定義するだけでなく、磁性基底状態が何であるかをより正確に実験的に描き始めることです。」

詳しくは： Brenden R. Ortiz et al、三角格子磁石 NaRuO2 における量子の乱れた基底状態、Nature Physics (2023)。 DOI: 10.1038/s41567-023-02039-x

雑誌情報:自然物理学

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