フラストレート磁性体の量子相転移の圧力・磁場制御に、東北大学などが成功

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東北大学は、圧力によって「スピンS=1/2三角格子反強磁性体Cs2CuCl4」の結晶を歪ませることで、交換相互作用を精密にコントロールし、強磁場下で「電子スピン共鳴」という手法で調べることで、逐次的に現れる複数の新たな磁気相を発見した。今回の研究成果は、ヘルムホルツ協会ドイツ研究センター、米国国立高磁場研究所、神戸大学、大阪府立大学、東京工業大学の研究者との国際共同研究によるもの。

三角格子反強磁性体では、全ての磁気相互作用を満足させる安定状態が存在しない「幾何学的フラストレーション」と呼ばれる状態を持ち、多数の状態がせめぎ合っている。これは小さな刺激で状態が劇的に変わることが予想されていた。特に、磁気の単位であるスピンが最小の1/2を取る場合は、「量子揺らぎ」が大きく、この効果が増幅される。しかし、これまで、その予想に対する系統的な実験による検証はほとんど行われていなかった。

今回、スピンが最小の値である1/2を有し、正三角形から歪んだ構造をもつ「三角格子反強磁性体Cs2CuCl4」に2ギガパスカルの高圧を加え、同時に25テスラの強磁場を加えることにより、ほぼ連続的な交換相互作用の比の変化と磁気偏極の大幅な制御に成功した。さらに、この状態での磁気的な性質を決定するために、「電子スピン共鳴測定」法により、逐次的な量子相転移を発見した。

高圧力によって相互作用を精密に制御し、これに強磁場を加えることで新たな磁気相を発見した今回の成果は、極限環境下でのフラストレート磁性体における量子相転移の研究に新しい可能性をもたらしたとしている。

論文情報:【Nature Communications】Pressure-tuning the quantum spin Hamiltonian of the triangular lattice antiferromagnet Cs2CuCl4