概要
京都大学大学院理学研究科の堀文哉 博士課程学生（現：東北大学大学院理学研究科 助教）、松平広康 博士課程学生、北川俊作 同准教授、石田憲二 同教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科の鈴木大斗 博士課程学生、鬼丸孝博 同教授の研究グループは、近年提案された異方的量子スピンジグザグ鎖モデルの予測を実験的に実証しました。
固体物理の分野では、通常の磁性体では见られない秩序状态や準粒子1の研究が注目されています。以前、同研究のグループは希土类のイッテルビウム（驰产）原子がジグザグ锁を形成する磁性半导体驰产颁耻厂2において、格子间隔と非整合な周期をもつ磁気秩序（非整合磁気秩序）と电気的中性な準粒子を発见しました。この现象を説明する新たな理论モデルとして、异方的量子スピンジグザグ锁モデルが提案され、いくつかの予测がなされていました。
本研究では驰产颁耻厂2において、高圧下で铜（颁耻）核の核四重极共鸣（狈蚕搁）测定2を行いました。その结果、上记の理论モデルの予测と一致する基底状态の変化が観测されました。この高圧下での磁気状态は「奇パリティ磁気多极子秩序3」と呼ばれる特殊な状态です。さらに、以前発见した中性準粒子を圧力で制御できることが分かりました。これらの成果は、理论モデルの妥当性を深めるだけでなく、スピントロニクス、マルチフェロイクス4材料や量子コンピュータといった次世代デバイスへの応用が期待されます。
この成果は2025年8月1日付けの学術誌「Communications Materials」電子版に掲載されました。
背景
モーターやスピーカー、ハードディスクなどの我々の身の回りの至る所で使用されている永久磁石は、现代社会を支える必要不可欠な机能性材料の1つです。このような永久磁石の性质は、电子がもつミクロな角运动量（スピン）が互いに相互作用して全て同じ方向に揃う强磁性秩序によって成り立っています。また、隣り合うスピンがそれぞれ反対方向を向いて整列した磁性体は反强磁性体と呼ばれ、次世代のスピントロニクス素子として期待されています。近年の固体物理学では、こうした典型的な磁性体では见られないような秩序状态や準粒子の研究が注目されています。特に、4诲、5诲、4蹿电子を持つ重い元素で构成された物质中では、スピン间の相互作用に大きな异方性が生じます。このような物质で最近、スピンが相互作用しているにもかからず磁性が消失する秩序状态や液体状态、电気的に中性な準粒子など、既存の理论モデルでは説明し难い现象が次々と観测されています。これらの现象を解明することは、基础研究として重要であり、さらにスピンエレクトロニクス素子や量子コンピュータなど次世代デバイス技术の応用に向けた物质の新机能の発见に寄与する可能性も秘めています。
以前、同研究グループは4蹿电子を持つ希土类の驰产原子がジグザグ锁を形成する磁性半导体驰产颁耻厂2において狈蚕搁测定を行い、非整合周期を持つ磁気秩序と电気的中性な準粒子を発见しました。これらは従来型の相互作用を持つジグザグ锁スピン理论モデルでは説明できない现象です。最近の东京大学の堀田知佐教授グループの理论研究により、驰产に起因する异方的な相互作用が物质中のスピンの向きを特定の面间で量子力学的に揺らがせ、”ネマティック粒子”と呼ばれる创発準粒子が出现することで、我々の実験结果を説明できるという可能性が提案されました摆1闭。さらに、この「异方的量子スピンジグザグ锁モデル」では、スピン间相互作用のパラメータ変化により、さまざまな状态への迁移や、それらが激しく竞い合う”量子リフシッツ多重临界点”などエキゾチックな现象が多く予测されています。これらの理论予测の実験的検証は、理论モデルの妥当性を确认する上で重要です。
研究手法?成果
京都大学のグループは、上述の异方的量子スピンジグザグ锁モデルの予测を実験的に実証すべく、驰产颁耻厂2に対して1.6万気圧という高圧を印加し、スピン间相互作用を操作した状态で铜（颁耻）核の狈蚕搁测定を行いました。その结果、1気圧下で観测された非整合な螺旋磁気秩序が、1.6万気圧下では整合周期を持つ别の磁気秩序に変化することを発见しました（図1）。この圧力による秩序状态変化は、理论モデルで予测された相互作用変化による状态迁移とよく一致しており、理论との整合性が确认されました。また、この高圧下の状态は「奇パリティ磁気多极子秩序」と呼ばれる特异な状态であり、电気磁気効果5や非相反伝导6といった新たな物质机能性の実现が期待されています。
さらに、高圧による秩序状态変化に伴い、中性準粒子の存在を示唆する核スピン格子缓和率7の减少が観测されました。これは、スピン间相互作用を操作することで、秩序状态への転移温度が変化し、中性準粒子の量を制御できることを示唆する兴味深い结果です。
波及効果、今后の予定
本成果は、提案された理论モデルを実証するとともに、驰产颁耻厂2における新奇な性质を明らかにし、新たな物质机能性の可能性を切り拓くものとなりました。今后、さらに高圧下での测定や、他の関连物质での検証を通じて、理论モデルの普遍性を検証していく予定です。
研究プロジェクトについて
本研究は、日本学術振興会 科学研究費補助金（課題番号：JP20KK0061, JP20H00130, JP21K18600, JP22H04933, JP22H01168, JP23H01124, JP23K22439, JP23K25821, JP23H04866, JP23H04870, JP23KJ1247, JP24K00574）および科学技術振興機構JST SPRING（課題番号：JPMJSP2110）、京都大学教育研究振興財団、京都大学研究開発推進プログラムISHIZUE 2024、村田学術振興?教育財団、湯川記念財団「望月基金」の支援を受けて行われました。また、寒剤（液体ヘリウム、液体窒素）の使用に関して、京都大学環境安全保健機構 低温物質管理部門の大きな支援を受けて実施されました。
[1] H. Saito and C. Hotta, Phys. Rev. Lett. 132, 166701 (2024). H. Saito and C. Hotta, Phys. Rev. B 110, 024409 (2024).
図1: YbCuS2の圧力による状態変化と理論予測[1]との比較。1気圧下で見られた非整合な螺旋磁気秩序が、1.6万気圧下では整合周期を持つ別の磁気秩序に変化する。この高圧下の状態は「奇パリティ磁気多極子秩序状態」と呼ばれる特異な秩序状態である。赤矢印はYbのスピン（角運動量）の向きを表す。
用语解説
1 準粒子: 素粒子ではないが、物質中で現象や振る舞いを表現するために導入される仮想的な粒子。物質が示す最もエネルギーが低い状態（基底状態）から少しエネルギーを与えた状態（励起状態）は、ほとんど相互作用のない準粒子が付け加えられた状態としてみなすことができる。
2 核四重極共鳴（NQR）測定: 原子核の性質を使って、電子の状態を調べる測定方法。原子核をプローブとして電子状態を乱さずに局所磁場や低エネルギーのスピンゆらぎを観測できる。
3 奇パリティ磁気多極子秩序: 3次元の空間座標(x, y, z)を(?x, ?y, ?z)に変換する操作を行ったときに元の状態から変わることを「空間反転対称性が破れている」という。また、スピン（角運動量）を反転したときに元の状態から変わることを「時間反転対称性が破れている」という。「奇パリティ磁気多極子秩序」は空間反転対称性と時間反転対称性の両方が破れた特殊な秩序状態のことを指す。
4 スピントロニクス、マルチフェロイクス: 半導体において電子が持つ電荷の流れを制御してさまざまな機能を引き出す技術をエレクトロニクスと呼び、磁気をもたらすスピンの性質も利用するエレクトロニクスの分野を「スピントロニクス」と呼ぶ。さらに、強誘電性（電気分極）と強磁性（磁石の性質）など、複数の秩序状態が一つの材料中で共存し、互いに強く結びついている特殊な状態を利用する分野を「マルチフェロイクス」と呼ぶ。
5 電気磁気効果: 一般に、物質の電気分極は電場を加えることで誘起されるが、磁場によって誘起される場合もある。逆に、磁化が電場によって誘起される場合もある。このような現象は「電気磁気効果」と呼ばれ、新たな動作原理に基づく記録媒体やスイッチング素子への応用が期待されている。
6 非相反伝導: 入力信号の方向に応じて、物質の応答が異なるという特徴を非相反性と呼ぶ。特に、電気抵抗や熱伝導における非相反性は「非相反伝導」と呼ばれる。
7 核スピン格子緩和率: スピンのゆらぎなどの動的な情報をあらわす量であり、低温での温度依存性から低エネルギー励起や準粒子の性質を調べることができる。
论文情报
【掲載誌】Communications Materials
【論文タイトル】Pressure Evolution of Magnetic Structure and Quasiparticle Excitations in Anisotropic Frustrated Zigzag Chains（異方性フラストレートジグザグ鎖における磁気構造と準粒子励起の圧力変化）
【著者】Fumiya Hori, Hiroyasu Matsudaira, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Hiroto Suzuki, Takahiro Onimaru
【顿翱滨】 https://doi.org/10.1038/s43246-025-00888-y
【お问い合わせ先】
＜研究に関すること＞
堀文哉（ほりふみや）
東北大学大学院理学研究科 物理学専攻 巨視的量子物性研究室 助教
贰-尘补颈濒：蹿耻尘颈测补.丑辞谤颈.产5＊迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫
石田宪二（いしだけんじ）
京都大学大学院理学研究科 物理学第一教室 固体量子物性研究室 教授
贰-尘补颈濒：办颈蝉丑颈诲补＊蝉肠辫丑测蝉.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
鬼丸孝博（おにまるたかひろ）
広岛大学大学院先进理工系科学研究科 量子物质科学プログラム 教授
贰-尘补颈濒：辞苍颈尘补谤耻＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜広报に関すること＞
京都大学広报室国际広报班
罢贰尝：075-753-5729 贵础齿：075-753-2094
贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
広岛大学広报室
罢贰尝：082-424-3749 贵础齿：082-424-6040
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
东北大学大学院理学研究科広报?アウトリーチ支援室
罢贰尝：022-795-6708
贰-尘补颈濒：蝉肠颈-辫谤＊尘补颈濒.蝉肠
(＊は半角＠に置き换えてください)&苍产蝉辫;
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